Starea tridimensională a apei lichide este dificil de studiat, dar s-au învățat multe analizând structura cristalelor de gheață. Patru atomi de oxigen vecini care interacționează cu hidrogenul ocupă vârfurile unui tetraedru (tetra=patru, edrul=plan). Energia medie necesară pentru a rupe o astfel de legătură în gheață este estimată la 23 kJ/mol-1.
Abilitatea moleculelor de apă de a forma un anumit număr de lanțuri de hidrogen, precum și o anumită rezistență, creează un punct de topire neobișnuit de ridicat. Când se topește, este ținut de apă lichidă, a cărei structură este neregulată. Majoritatea legăturilor de hidrogen sunt distorsionate. Este nevoie de o cantitate mare de energie sub formă de căldură pentru a sparge rețeaua cristalină de gheață legată de hidrogen.
Caracteristici ale apariției gheții (Ih)
Mulți dintre locuitori se întreabă ce fel de rețea cristalină are gheața. NecesarTrebuie remarcat faptul că densitatea majorității substanțelor crește în timpul înghețului, când mișcările moleculare încetinesc și se formează cristale dens împachetate. De asemenea, densitatea apei crește pe măsură ce se răcește la maximum la 4°C (277K). Apoi, când temperatura scade sub această valoare, se extinde.
Această creștere se datorează formării unui cristal de gheață deschis, legat de hidrogen, cu rețeaua sa și densitatea mai mică, în care fiecare moleculă de apă este legată rigid de elementul de mai sus și de alte patru valori, în timp ce se mișcă suficient de rapid pentru a au mai multa masa. Deoarece are loc această acțiune, lichidul îngheață de sus în jos. Aceasta are rezultate biologice importante, drept urmare stratul de gheață de pe iaz izolează ființele vii de frigul extrem. În plus, două proprietăți suplimentare ale apei sunt legate de caracteristicile sale de hidrogen: căldura specifică și evaporarea.
Descrierea detaliată a structurilor
Primul criteriu este cantitatea necesară pentru a crește temperatura a 1 gram de substanță cu 1°C. Creșterea gradelor de apă necesită o cantitate relativ mare de căldură deoarece fiecare moleculă este implicată în numeroase legături de hidrogen care trebuie rupte pentru ca energia cinetică să crească. Apropo, abundența de H2O în celulele și țesuturile tuturor organismelor multicelulare mari înseamnă că fluctuațiile de temperatură din interiorul celulelor sunt minime. Această caracteristică este crucială, deoarece viteza majorității reacțiilor biochimicesensibil.
Căldura de vaporizare a apei este, de asemenea, semnificativ mai mare decât cea a multor alte lichide. Este necesară o cantitate mare de căldură pentru a transforma acest corp într-un gaz, deoarece legăturile de hidrogen trebuie rupte pentru ca moleculele de apă să se disloce unele de altele și să intre în faza menționată. Corpurile modificabile sunt dipoli permanenți și pot interacționa cu alți compuși similari și cu cei care ionizează și se dizolvă.
Alte substanțe menționate mai sus pot intra în contact numai dacă este prezentă polaritatea. Acest compus este implicat în structura acestor elemente. În plus, se poate alinia în jurul acestor particule formate din electroliți, astfel încât atomii negativi de oxigen ai moleculelor de apă să fie orientați către cationi, iar ionii pozitivi și atomii de hidrogen să fie orientați către anioni.
În solide, de regulă, se formează rețele cristaline moleculare și cele atomice. Adică, dacă iodul este construit în așa fel încât să conțină I2, , atunci în dioxid de carbon solid, adică în gheață carbonică, moleculele de CO2 sunt situat la nodurile rețelei cristaline . Atunci când interacționează cu substanțe similare, gheața are o rețea cristalină ionică. Grafitul, de exemplu, care are o structură atomică bazată pe carbon, nu este capabil să-l schimbe, la fel ca diamantul.
Ce se întâmplă când un cristal de sare de masă se dizolvă în apă: moleculele polare sunt atrase de elementele încărcate din cristal, ceea ce duce la formarea unor particule similare de sodiu și clorură pe suprafața sa, rezultând astfel aceste corpurisunt dislocați unul de celăl alt și începe să se dizolve. De aici se poate observa că gheața are o rețea cristalină cu legături ionice. Fiecare Na + dizolvat atrage capetele negative ale mai multor molecule de apă, în timp ce fiecare Cl dizolvat - atrage capetele pozitive. Învelișul care înconjoară fiecare ion se numește sferă de evacuare și conține de obicei mai multe straturi de particule de solvent.
Rețea de cristal de gheață uscată
Variabilele sau un ion înconjurat de elemente se spune că sunt sulfatate. Când solventul este apă, astfel de particule sunt hidratate. Astfel, orice moleculă polară tinde să fie solvatată de elementele corpului lichid. În gheața carbonică, tipul de rețea cristalină formează legături atomice în stare de agregare, care sunt neschimbate. Un alt lucru este gheața cristalină (apa înghețată). Compușii organici ionici precum carboxilaza și aminele protonate trebuie să fie solubili în grupări hidroxil și carbonil. Particulele conținute în astfel de structuri se mișcă între molecule, iar sistemele lor polare formează legături de hidrogen cu acest corp.
Desigur, numărul ultimelor grupări indicate dintr-o moleculă afectează solubilitatea acesteia, care depinde și de reacția diferitelor structuri din element: de exemplu, alcoolii cu unul, doi și trei atomi de carbon sunt miscibili cu apă, dar hidrocarburile mai mari cu compuși hidroxil unici sunt mult mai puțin diluate în lichide.
Hexagonal Ih are formă similară curețea cristalină atomică. Pentru gheață și toată zăpada naturală de pe Pământ, arată exact așa. Acest lucru este evidențiat de simetria rețelei cristaline de gheață, crescută din vapori de apă (adică fulgi de zăpadă). Este in grupa spatiala P 63/mm de la 194; D 6h, clasa Laue 6/mm; similar cu β-, care are un multiplu de 6 axe elicoidale (rotație în jurul ei în plus față de deplasarea de-a lungul ei). Are o structură de densitate mică destul de deschisă, unde eficiența este scăzută (~1/3) în comparație cu structurile cubice simple (~1/2) sau cubice centrate pe față (~3/4).
În comparație cu gheața obișnuită, rețeaua cristalină de gheață carbonică, legată de molecule de CO2, este statică și se modifică numai atunci când atomii se descompun.
Descrierea grătarelor și a elementelor acestora
Cristalele pot fi privite ca modele cristaline, constând din foi plasate una deasupra celeil alte. Legătura de hidrogen este ordonată, în timp ce în realitate este aleatorie, deoarece protonii se pot deplasa între moleculele de apă (gheață) la temperaturi peste aproximativ 5 K. Într-adevăr, este probabil ca protonii să se comporte ca un fluid cuantic într-un flux constant de tunel. Acest lucru este sporit de împrăștierea neutronilor, arătând densitatea lor de împrăștiere la jumătatea distanței dintre atomii de oxigen, indicând localizarea și mișcarea concertată. Aici există o asemănare a gheții cu o rețea cristalină atomică, moleculară.
Moleculele au un aranjament eșalonat al lanțului de hidrogenîn raport cu cei trei vecini ai săi din avion. Al patrulea element are un aranjament de legături de hidrogen eclipsat. Există o ușoară abatere de la simetria hexagonală perfectă, deoarece celula unitară este cu 0,3% mai scurtă în direcția acestui lanț. Toate moleculele experimentează aceleași medii moleculare. Există suficient spațiu în interiorul fiecărei „cutii” pentru a reține particule de apă interstițială. Deși nu sunt considerate în general, acestea au fost recent detectate eficient prin difracția cu neutroni a rețelei cristaline sub formă de pulbere de gheață.
Schimbarea substanțelor
Corpul hexagonal are puncte triple cu apă lichidă și gazoasă 0,01 ° C, 612 Pa, elemente solide - trei -21,985 ° C, 209,9 MPa, unsprezece și două -199,8 ° C, 70 MPa, precum și - 34,7 ° C, 212,9 MPa. Constanta dielectrică a gheții hexagonale este 97,5.
Curba de topire a acestui element este dată de MPa. Ecuațiile de stare sunt disponibile, pe lângă acestea, și câteva inegalități simple care leagă modificarea proprietăților fizice de temperatura gheții hexagonale și suspensiile sale apoase. Duritatea fluctuează cu grade care cresc de la sau sub gips (≦2) la 0°C până la feldspat (6 Mohs) la -80°C, o schimbare anormal de mare a durității absolute (> de 24 de ori).
Rețeaua cristalină hexagonală de gheață formează plăci și coloane hexagonale, unde fețele superioare și inferioare sunt planurile bazale {0 0 0 1} cu o entalpie de 5,57 μJ cm -2și alte părți laterale echivalente sunt numite părți ale prismei {1 0 -1 0} cu 5, 94µJ cm -2. Suprafețele secundare {1 1 -2 0} cu 6,90 ΜJ ˣ cm -2 pot fi formate de-a lungul planurilor formate de laturile structurilor.
O astfel de structură prezintă o scădere anormală a conductibilității termice odată cu creșterea presiunii (precum și gheața cubică și amorfă de densitate scăzută), dar diferă de majoritatea cristalelor. Acest lucru se datorează unei modificări a legăturii de hidrogen, care reduce viteza transversală a sunetului în rețeaua cristalină de gheață și apă.
Există metode care descriu cum se prepară mostre mari de cristale și orice suprafață de gheață dorită. Se presupune că legătura de hidrogen de pe suprafața corpului hexagonal studiat va fi mai ordonată decât în interiorul sistemului vrac. Spectroscopia variațională cu generare de frecvență fază-rețea a arătat că există o asimetrie structurală între cele două straturi superioare (L1 și L2) în lanțul HO de sub suprafață a suprafeței bazale a gheții hexagonale. Legăturile de hidrogen adoptate în straturile superioare ale hexagoanelor (L1 O ··· HO L2) sunt mai puternice decât cele acceptate în al doilea strat la acumularea superioară (L1 OH ··· O L2). Structuri interactive de gheață hexagonale disponibile.
Funcții de dezvoltare
Numărul minim de molecule de apă necesare pentru a forma gheață este de aproximativ 275 ± 25, ca și pentru un cluster icosaedric complet de 280. Formarea are loc cu o rată de 10 10 la interfață aer-apă și nu în apă în vrac. Creșterea cristalelor de gheață depinde de diferite rate de creștereenergii. Apa trebuie protejată de îngheț atunci când se crioconserva specimenele biologice, alimentele și organele.
Acest lucru se realizează de obicei prin viteze rapide de răcire, folosind mostre mici și un crioconservator și creșterea presiunii pentru a nuclea gheața și a preveni deteriorarea celulelor. Energia liberă a gheții/lichidului crește de la ~30 mJ/m2 la presiunea atmosferică la 40 mJ/m-2 la 200 MPa, ceea ce indică motivul pentru care apare acest efect.
Ce tip de rețea cristalină este caracteristică gheții
În mod alternativ, pot crește mai repede de pe suprafețele prismelor (S2), pe suprafața perturbată aleatoriu a lacurilor înghețate rapid sau agitate. Creșterea de la fețele {1 1 -2 0} este cel puțin aceeași, dar le transformă în baze prisme. Datele despre dezvoltarea cristalului de gheață au fost investigate pe deplin. Ratele relative de creștere ale elementelor diferitelor fețe depind de capacitatea de a forma un grad mare de hidratare a articulațiilor. Temperatura (scăzută) a apei din jur determină gradul de ramificare în cristalul de gheață. Creșterea particulelor este limitată de viteza de difuzie la un grad scăzut de suprarăcire, adică <2 ° C, rezultând mai multe dintre ele.
Dar limitat de cinetica dezvoltării la niveluri mai mari de depresie de >4°C, ceea ce duce la creșterea acului. Această formă este similară cu structura gheții carbonizate (are o rețea cristalină cu o structură hexagonală), diversecaracteristicile dezvoltării suprafeței și temperatura apei din jur (suprarăcită), care se află în spatele formelor plate ale fulgilor de zăpadă.
Formarea gheții în atmosferă afectează profund formarea și proprietățile norilor. Feldspații, găsiți în praful deșertului care intră în atmosferă în milioane de tone pe an, sunt formatori importanți. Simulările pe computer au arătat că acest lucru se datorează nucleării planurilor prismatice de cristale de gheață pe planuri de suprafață de în altă energie.
Alte elemente și zăbrele
Substanțele dizolvate (cu excepția heliului și hidrogenului foarte mici, care pot intra în interstiții) nu pot fi incluse în structura Ih la presiunea atmosferică, ci sunt forțate să iasă la suprafață sau la stratul amorf dintre particulele corp microcristalin. Există și alte elemente în rețelele de gheață carbonică: ionii haotropi, cum ar fi NH4 + și Cl - care sunt incluse în congelarea lichidelor mai ușoare decât alte cele cosmotrope, cum ar fi Na + și SO42-, deci îndepărtarea lor nu este posibilă din cauza faptului că formează o peliculă subțire din lichidul rămas între cristale. Acest lucru poate duce la încărcarea electrică a suprafeței din cauza disocierii apei de suprafață echilibrând sarcinile rămase (care poate duce și la radiații magnetice) și la o modificare a pH-ului peliculelor lichide reziduale, de exemplu NH 42SO4 devine mai acid, iar NaCl devine mai bazic.
Sunt perpendiculare pe fețerețea cristalină de gheață care arată următorul strat atașat (cu atomi de O în negru). Ele sunt caracterizate printr-o suprafață bazală cu creștere lentă {0 0 0 1}, unde sunt atașate doar molecule izolate de apă. O suprafață cu creștere rapidă {1 0 -1 0} a unei prisme în care perechile de particule nou atașate se pot lega între ele cu hidrogen (o legătură de hidrogen/două molecule ale unui element). Fața cu cea mai rapidă creștere este {1 1 -2 0} (prismatică secundară), unde lanțurile de particule nou atașate pot interacționa între ele prin legături de hidrogen. Unul dintre lanțurile/moleculele ei de element este o formă care formează creste care împart și încurajează transformarea în două părți ale prismei.
Entropia punctului zero
Poate fi definit ca S 0=k B ˣ Ln (N E0), unde k B este constanta Boltzmann, NE este numărul de configurații la energia E, iar E0 este cea mai mică energie. Această valoare pentru entropia gheții hexagonale la zero Kelvin nu încalcă a treia lege a termodinamicii „Entropia unui cristal ideal la zero absolut este exact zero”, deoarece aceste elemente și particule nu sunt ideale, au legături de hidrogen dezordonate.
În acest corp, legătura de hidrogen este aleatorie și se schimbă rapid. Aceste structuri nu sunt exact egale ca energie, dar se extind la un număr foarte mare de stări apropiate energetic, se supun „regulilor gheții”. Entropia punctului zero este dezordinea care ar rămâne chiar dacă materialul ar putea fi răcit la absolutzero (0 K=-273, 15 ° C). Generează confuzie experimentală pentru gheața hexagonală 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Teoretic, ar fi posibil să se calculeze entropia zero a cristalelor de gheață cunoscute cu o precizie mult mai mare (neglijând defectele și răspândirea nivelului de energie) decât să o determine experimental.
Oamenii de știință și munca lor în acest domeniu
Poate fi definit ca S 0=k B ˣ Ln (N E0), unde k B este constanta Boltzmann, NE este numărul de configurații la energia E, iar E0 este cea mai mică energie. Această valoare pentru entropia gheții hexagonale la zero Kelvin nu încalcă a treia lege a termodinamicii „Entropia unui cristal ideal la zero absolut este exact zero”, deoarece aceste elemente și particule nu sunt ideale, au legături de hidrogen dezordonate.
În acest corp, legătura de hidrogen este aleatorie și se schimbă rapid. Aceste structuri nu sunt exact egale ca energie, dar se extind la un număr foarte mare de stări apropiate energetic, se supun „regulilor gheții”. Entropia punctului zero este dezordinea care ar rămâne chiar dacă materialul ar putea fi răcit la zero absolut (0 K=-273,15°C). Generează confuzie experimentală pentru gheața hexagonală 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Teoretic, ar fi posibil să se calculeze entropia zero a cristalelor de gheață cunoscute cu o precizie mult mai mare (neglijând defectele și răspândirea nivelului de energie) decât să o determine experimental.
Deși ordinea protonilor în gheața în vrac nu este ordonată, suprafața probabil preferă ordinea acestor particule sub formă de benzi de atomi de H suspendați și perechi O-single (entropie zero cu legături de hidrogen ordonate). Se găsește tulburarea punctului zero ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 și altele. Din toate cele de mai sus, este clar și de înțeles ce tipuri de rețele cristaline sunt caracteristice gheții.
