Что происходит, когда вы подвергаете воду сильному давлению?

То, о чем вы спрашиваете, обычно показано на фазовой диаграмме. На диаграмме показано, как «фаза», т. е. жидкость, газ или одна из различных твердых фаз, существует при разных температурах и давлениях:

Если ваш цилиндр начинается, скажем,$20{}^{\circ}\mathrm{C}$и атмосферное давление, оно будет в$\color{green}{\textbf{Liquid}}$прямо в центре диаграммы. Если вы повысите давление, поддерживая постоянную температуру, он переключится на$\color{blue}{\textbf{Ice VI}}$при давлении около 1 ГПа или около 10 000 атмосфер: трудно превратить воду в лед, сжимая ее; вода на дне океана все еще вода.

По мере того, как вы продолжаете повышать давление, поддерживая постоянную температуру, он будет проходить через все более и более плотные формы твердого льда (на диаграмме не показана «черная дыра», так как это было бы на много-много порядков величины погрешности). наверху, и до него нельзя добраться физически).

Я подчеркиваю «поддержание постоянной температуры», потому что (а) это то, что ваш эксперимент должен будет сделать или не сделать, и (б) потому что это значительно упрощает чтение диаграммы. Сжатие добавляет энергии воде за счет работы поршней. Если вы едете медленно, а цилиндр не изолирован и т. д., эта энергия будет рассеиваться, поскольку цилиндр естественным образом сохраняет температуру окружающей среды. Если вы двигаетесь быстро или цилиндр изолирован, температура будет повышаться, и вода будет стремиться двигаться вверх и вправо на диаграмме: вы попадете в переходы в разных точках.

Укороченная версия

• Вокруг${10}^{5}\mathrm{Pa}$, что соответствует нормальному атмосферному давлению, вода жидкая.

• Вокруг${10}^{9}\mathrm{Pa}$, вода спрессована в лед. Конфигурация льда меняется по мере увеличения давления.

• Вокруг${10}^{12}\mathrm{Pa}$, лед металлизируется. Это уже не пучок молекул H ₂ O, а суп из атомов H и O.

• Вокруг${10}^{16}\mathrm{Pa}$, очень грубо, ядерные реакции могут стать заметными (хотя и не совсем обычными).

• Вокруг${10}^{31}\mathrm{Pa}$, давление приближается к тому, что наблюдается в нейтронной звезде. Говорить об отдельных атомах больше не имеет смысла.

• В какой-то момент он, вероятно, схлопнется в черную дыру или что-то в этом роде.

• После этого это было бы безудержной спекуляцией.

Длинная версия

Грубо говоря, работает примерно так:

1. Начните с типичной температуры/давления; скажем$20{}^{\circ}\mathrm{C}$и$1{\cdot}{10}^{5}\mathrm{Pa}~\left(\approx1~\mathrm{atm}\right)$.

2. Сжать, предполагая, что цилиндр находится в термостате с постоянной температурой.

   • Другим распространенным вариантом является рассмотрение адиабатического сжатия, при котором также захватывается тепло, так что температура будет иметь тенденцию к увеличению по мере сжатия. Делать изотермический вместо этого, потому что это ленивее.

3. По мере увеличения давления произойдет несколько незначительных эффектов:

   • Вода потеряет часть объема (хотя она не слишком сжимаема).

   • Тепло будет генерироваться (хотя оно будет потеряно в тепловой ванне).

   • Химическое равновесие немного сместится.

4. Вокруг$P{\approx}1{\cdot}{10}^{9}\mathrm{Pa}$, жидкая вода начнет сжиматься в лед.

   • В частности, молекулы воды выстраиваются в паттерн Ice VI .

5. Вокруг$P{\approx}2{\cdot}{10}^{9}\mathrm{Pa}$, паттерн Ice VI может начать уступать место Ice VII .

6. Вокруг$P{\approx}6{\cdot}{10}^{9}\mathrm{Pa}$, паттерн Ice VII может начать уступать место Ice X .

7. После этого момента все начинает становиться спекулятивным, поскольку мы находимся за пределами области экспериментальной проверки.

   Сюжет в ответе @BobJacobsen показывает прогноз варианта Ice XI , как и этот слегка расширенный сюжет:

   

8. По мере дальнейшего увеличения давления он перестает быть « водой », а вместо этого металлом, состоящим из атомов, которые раньше находились в воде. Отличие в том, что до металлизации вода представляет собой H ₂ O; после металлизации уже не имеет смысла говорить об отдельных молекулах Н ₂ О, как не имеет смысла говорить о « молекулах » типичных металлов.

   Когда именно и как происходит металлизация, остается спорным. Существуют конкурирующие утверждения о том, когда водород металлизируется, и я нашел утверждение, что кислород тоже металлизируется относительно быстро, а затем другое утверждение, что вода будет металлизироваться при другом давлении:

   • $P{\approx}2.5{\cdot}{10}^{10}\mathrm{Pa}$: Раннее предсказание металлизации водорода.

   • $P{\approx}9.6{\cdot}{10}^{10}\mathrm{Pa}$: В Википедии упоминается, что кислород становится металлическим.

   • $P{\approx}4.95{\cdot}{10}^{11}\mathrm{Pa}$: Существует спорное экспериментальное заявление о наблюдении металлического водорода .

   • $P{\approx}1.55{\cdot}{10}^{12}\mathrm{Pa}$: Заявление о том, что вода (то есть и водород, и кислород вместе) становится металлической:

     Основываясь на расчетах функционала плотности, мы предсказываем, что водяной лед приобретет две новые кристаллические структуры с симметрией Pbca и Cmcm при 7,6 и 15,5 Мбар соответственно. Известные фазы льда высокого давления VII, VIII, X и Pbcm, а также фаза Pbca являются изолирующими и состоят из двух взаимопроникающих сетей, связанных водородными связями, но структура Cmcm является металлической и состоит из гофрированных слоев атомов H и O. Атомы H сжаты в октаэдрические позиции между ближайшими атомами O, в то время как они занимают тетраэдрические позиции между ближайшими атомами O в фазах льда X, Pbcm и Pbca.

     - «Новые фазы водяного льда, предсказанные при мегабарном давлении» [форматирование опущено]

9. В какой -то довольно неоднозначный момент ядерные реакции, вероятно, начнут становиться значительными, вероятно, когда водород превратится в гелий и т. д.. Поскольку ядерные реакции начались, мы находимся за пределами области химии.

10. В конце концов, дело, вероятно, выродится . Наивно я представляю что-то вроде нейтронной звезды , где увеличение давления было бы похоже на копание глубже в слои нейтронной звезды:

    

    Но, очевидно, на данный момент мы глубоко погрузились в сферу спекуляций.

11. В конце концов давление вырождения преодолевается, и, возможно, образуется черная дыра . Возможно, это будет похоже на пушистый комок , может быть. Не знаю.

Обсуждение льда высокого давления

Для экстремального диапазона давлений, при котором вода все еще остается « водой », в этом источнике , кажется, есть хорошее объяснение:

Лед очень высокого давления, включая суперионный лед

Состояние льда при очень высоких давлениях над льдом X только недавно было достигнуто экспериментально. Моделирование дает путаницу возможностей. Поскольку такое моделирование, но для льдов более низкого давления, не дает точных результатов по сравнению с экспериментальной информацией о структуре, ожидается, что эти результаты будут в лучшем случае ориентировочными. Расчеты функционала плотности [1709] указывают на вызванное давлением начальное смещение слоев атомов льда-10 с образованием орторомбической структуры Pbcm. При более высоком давлении за этим может следовать сжатие атомов водорода из их средних точек с образованием структуры Pbca, а затем при более терапаскалях (ТПа, 10 ⁷атм), до металлического льда, состоящего из гофрированных слоев атомов H и O с атомами H в октаэдрических средних точках между следующими ближайшими атомами кислорода [1709]. Были даны альтернативные взгляды; во-первых, орторомбическая структура Pbcm заменяется фазой _Pmc_2 ₁ выше 930 ГПа, за которой следует фаза _P_2 ₁кристаллическая структура примерно при 1,3 ТПа и, наконец, металлическая фаза C2/m выше примерно 4,8 ТПа [18–18]. Другое исследование показывает, что тригональная фаза P3121 и орторомбическая фаза Pcca становятся стабильными в диапазонах 0,77–1,44 ТПа и 1,44–1,93 ТПа [2114] соответственно. Такие льды не молекулярны и могут рассматриваться как протоны и дианионы кислорода с подвижными электронами [1666] и ожидаются в ядре планет-гигантов, таких как Юпитер и Сатурн. Частично ионная фаза, состоящая из чередующихся слоев ОН- ^и Н ₃ О ⁺при низких температурах было предложено [1810]. Несколько новых фаз могут превратиться в одну, в которой координационное число кислорода увеличивается с 4 до 5 при значительном увеличении плотности [18–18]. Было высказано предположение, что при давлениях выше 5 ТПа происходит фазовое расщепление с разложением (компонентов) H ₂ O на фазу кубической формулы Pa-3 H ₂ O ₂ и фазу, богатую водородом, с металлизацией, предсказанной при более высокое давление чуть более 6 ТПа [2114].

Была предложена новая суперионная фаза с приблизительной тройной точкой около 1000 К, 40 ГПа с жидкой (сверхкритической и ионизированной) водой и льдом-семь при высоких температурах (~1500 К) [1572]. Ожидалось, что в этой фазе ионы водорода (протоны) будут очень подвижными, ведут себя как жидкость и движутся в твердой решетке ионов кислорода. Недавнее экспериментальное открытие суперионного льда подтвердило это предсказание [3199]. С помощью ударного сжатия льда-7 было показано, что лед плавится при температуре около 5000 К при 190 ГПа.

- «Структура воды и наука» [ссылки опущены; форматирование частично воспроизведено]