Trojrozmerný stav tekutej vody je ťažké študovať, ale veľa sme sa naučili analýzou štruktúry ľadových kryštálov. Štyri susedné atómy kyslíka interagujúce s vodíkom zaberajú vrcholy štvorstenu (tetra=štyri, hedron=rovina). Priemerná energia potrebná na prerušenie takejto väzby v ľade sa odhaduje na 23 kJ/mol-1.
Schopnosť molekúl vody tvoriť daný počet vodíkových reťazcov, ako aj daná sila, vytvára nezvyčajne vysoký bod topenia. Keď sa roztopí, drží ho tekutá voda, ktorej štruktúra je nepravidelná. Väčšina vodíkových väzieb je skreslená. Na rozbitie kryštálovej mriežky ľadu s vodíkovými väzbami je potrebné veľké množstvo energie vo forme tepla.
Vlastnosti vzhľadu ľadu (Ih)
Mnohí obyvatelia sa čudujú, akú má ľad kryštálovú mriežku. NevyhnutnéTreba si uvedomiť, že hustota väčšiny látok sa zvyšuje počas zmrazovania, kedy sa molekulárne pohyby spomaľujú a tvoria sa husto zbalené kryštály. Hustota vody sa tiež zvyšuje, keď sa ochladzuje na maximum pri 4 °C (277 K). Potom, keď teplota klesne pod túto hodnotu, expanduje.
Tento nárast je spôsobený vytvorením otvoreného ľadového kryštálu s vodíkovými väzbami s jeho mriežkou a nižšou hustotou, v ktorom je každá molekula vody pevne viazaná vyššie uvedeným prvkom a štyrmi ďalšími hodnotami, pričom sa pohybuje dostatočne rýchlo, aby mať väčšiu hmotnosť. Keďže k tejto akcii dôjde, kvapalina zamrzne zhora nadol. To má dôležité biologické výsledky, v dôsledku ktorých vrstva ľadu na jazierku izoluje živé bytosti od extrémneho chladu. Okrem toho dve ďalšie vlastnosti vody súvisia s jej vodíkovými vlastnosťami: špecifické teplo a vyparovanie.
Podrobný popis štruktúr
Prvým kritériom je množstvo potrebné na zvýšenie teploty 1 gramu látky o 1°C. Zvyšovanie stupňov vody si vyžaduje relatívne veľké množstvo tepla, pretože každá molekula je zapojená do mnohých vodíkových väzieb, ktoré musia byť prerušené, aby sa zvýšila kinetická energia. Mimochodom, množstvo H2O v bunkách a tkanivách všetkých veľkých mnohobunkových organizmov znamená, že kolísanie teploty vo vnútri buniek je minimalizované. Táto vlastnosť je rozhodujúca, pretože rýchlosť väčšiny biochemických reakciícitlivé.
Teplo vyparovania vody je tiež výrazne vyššie ako u mnohých iných kvapalín. Na premenu tohto telesa na plyn je potrebné veľké množstvo tepla, pretože vodíkové väzby musia byť prerušené, aby sa molekuly vody od seba odsunuli a dostali sa do uvedenej fázy. Vymeniteľné telesá sú trvalé dipóly a môžu interagovať s inými podobnými zlúčeninami a tými, ktoré sa ionizujú a rozpúšťajú.
Iné látky uvedené vyššie môžu prísť do kontaktu iba vtedy, ak je prítomná polarita. Práve táto zlúčenina sa podieľa na štruktúre týchto prvkov. Okrem toho sa môže zosúladiť okolo týchto častíc vytvorených z elektrolytov, takže negatívne atómy kyslíka molekúl vody sú orientované na katióny a kladné ióny a atómy vodíka sú orientované na anióny.
V pevných látkach sa spravidla vytvárajú molekulové kryštálové mriežky a atómové mriežky. To znamená, že ak je jód postavený tak, že obsahuje I2, , potom v pevnom oxide uhličitom, teda v suchom ľade, sú molekuly CO2 umiestnené v uzloch kryštálovej mriežky . Pri interakcii s podobnými látkami má ľad iónovú kryštálovú mriežku. Napríklad grafit, ktorý má atómovú štruktúru založenú na uhlíku, ju nedokáže zmeniť, rovnako ako diamant.
Čo sa stane, keď sa kryštál kuchynskej soli rozpustí vo vode: polárne molekuly sú priťahované k nabitým prvkom v kryštáli, čo vedie k vytvoreniu podobných častíc sodíka a chloridu na jeho povrchu, výsledkom čoho sú tieto telása od seba oddialia a začne sa rozpúšťať. Odtiaľ je možné pozorovať, že ľad má kryštálovú mriežku s iónovou väzbou. Každý rozpustený Na + priťahuje negatívne konce niekoľkých molekúl vody, zatiaľ čo každý rozpustený Cl - priťahuje pozitívne konce. Škrupina obklopujúca každý ión sa nazýva úniková guľa a zvyčajne obsahuje niekoľko vrstiev častíc rozpúšťadla.
Kryštálová mriežka suchého ľadu
Premenné alebo ión obklopený prvkami sa nazývajú sulfátované. Keď je rozpúšťadlom voda, takéto častice sú hydratované. Každá polárna molekula má teda tendenciu byť solvatovaná prvkami tekutého telesa. V suchom ľade tvorí typ kryštálovej mriežky atómové väzby v stave agregácie, ktoré sú nezmenené. Ďalšia vec je kryštalický ľad (zamrznutá voda). Iónové organické zlúčeniny, ako je karboxyláza a protónované amíny, musia byť rozpustné v hydroxylových a karbonylových skupinách. Častice obsiahnuté v takýchto štruktúrach sa pohybujú medzi molekulami a ich polárne systémy vytvárajú vodíkové väzby s týmto telom.
Počet posledných uvedených skupín v molekule samozrejme ovplyvňuje jej rozpustnosť, ktorá závisí aj od reakcie rôznych štruktúr v prvku: napríklad jedno-, dvoj- a trojuhlíkové alkoholy sú miešateľné s vodou, ale väčšie uhľovodíky s jednoduchými hydroxylovými zlúčeninami sú v kvapalinách oveľa menej zriedené.
Šesťhranný Ih má podobný tvar akoatómová kryštálová mriežka. Pre ľad a všetok prírodný sneh na Zemi to vyzerá presne takto. Svedčí o tom symetria kryštálovej mriežky ľadu, vyrastenej z vodnej pary (teda snehových vločiek). Je vo vesmírnej skupine P 63/mm od 194; D 6h, trieda Laue 6/mm; podobne ako β-, ktorý má násobok 6 špirálovej osi (otáčanie okolo okrem posunu pozdĺž nej). Má pomerne otvorenú štruktúru s nízkou hustotou, kde je účinnosť nízka (~ 1/3) v porovnaní s jednoduchými kubickými (~ 1/2) alebo plošne centrovanými kubickými štruktúrami (~ 3/4).
V porovnaní s obyčajným ľadom je kryštálová mriežka suchého ľadu, viazaná molekulami CO2, statická a mení sa iba pri rozpade atómov.
Popis mriežok a ich prvkov
Kryštály možno považovať za kryštalické modely pozostávajúce z plátov umiestnených nad sebou. Vodíková väzba je usporiadaná, zatiaľ čo v skutočnosti je náhodná, pretože protóny sa môžu pohybovať medzi molekulami vody (ľadu) pri teplotách nad približne 5 K. Je skutočne pravdepodobné, že protóny sa v konštantnom tunelovom toku správajú ako kvantová tekutina. Toto je posilnené rozptylom neutrónov, čo ukazuje ich hustotu rozptylu v polovici medzi atómami kyslíka, čo naznačuje lokalizáciu a spoločný pohyb. Tu je podobnosť ľadu s atómovou, molekulárnou kryštálovou mriežkou.
Molekuly majú rozložené usporiadanie vodíkového reťazcavzhľadom na svojich troch susedov v lietadle. Štvrtý prvok má usporiadanie zakrytej vodíkovej väzby. Existuje mierna odchýlka od dokonalej šesťuholníkovej symetrie, pretože základná bunka je o 0,3 % kratšia v smere tohto reťazca. Všetky molekuly zažívajú rovnaké molekulárne prostredie. Vo vnútri každej „škatuľky“je dostatok miesta na uloženie čiastočiek intersticiálnej vody. Hoci sa o nich vo všeobecnosti neuvažuje, nedávno boli účinne detekované neutrónovou difrakciou práškovej kryštálovej mriežky ľadu.
Changing Substances
Šesťhranné teleso má trojité body s kvapalnou a plynnou vodou 0,01 °C, 612 Pa, pevné prvky - tri -21,985 °C, 209,9 MPa, jedenásť a dva -199,8 °C, 70 MPa, ako aj - 34,7 °C, 212,9 MPa. Dielektrická konštanta hexagonálneho ľadu je 97,5.
Krivka topenia tohto prvku je daná MPa. K dispozícii sú stavové rovnice, okrem nich aj niektoré jednoduché nerovnice týkajúce sa zmeny fyzikálnych vlastností teploty šesťuholníkového ľadu a jeho vodných suspenzií. Tvrdosť kolíše so stupňami stúpajúcimi od sadrovca alebo pod ním (≦2) pri 0 °C po živec (6 Mohs) pri -80 °C, čo je abnormálne veľká zmena absolútnej tvrdosti (> 24-krát).
Šesťuholníková kryštálová mriežka ľadu tvorí šesťuholníkové dosky a stĺpce, kde horná a spodná strana sú bazálne roviny {0 0 0 1} s entalpiou 5,57 μJ cm -2a ďalšie ekvivalentné bočné časti sa nazývajú časti hranola {1 0 -1 0} s 5, 94µJ cm -2. Sekundárne povrchy {1 1 -2 0} s 6,90 ΜJ ˣ cm -2 môžu byť vytvorené pozdĺž rovín tvorených stranami konštrukcií.
Takáto štruktúra vykazuje anomálny pokles tepelnej vodivosti so zvyšujúcim sa tlakom (rovnako ako kubický a amorfný ľad nízkej hustoty), ale líši sa od väčšiny kryštálov. Je to spôsobené zmenou vodíkovej väzby, ktorá znižuje priečnu rýchlosť zvuku v kryštálovej mriežke ľadu a vody.
Existujú metódy, ktoré popisujú, ako pripraviť veľké vzorky kryštálov a akúkoľvek požadovanú ľadovú plochu. Predpokladá sa, že vodíková väzba na povrchu skúmaného šesťuholníkového telesa bude usporiadanejšia ako vo vnútri hromadného systému. Variačná spektroskopia s generovaním frekvencie fázovej mriežky ukázala, že medzi dvoma hornými vrstvami (L1 a L2) v podpovrchovom HO reťazci bazálneho povrchu hexagonálneho ľadu existuje štruktúrna asymetria. Prijaté vodíkové väzby v horných vrstvách šesťuholníkov (L1 O ··· HO L2) sú silnejšie ako tie, ktoré sú prijaté v druhej vrstve do hornej akumulácie (L1 OH ··· O L2). K dispozícii sú interaktívne šesťuholníkové ľadové štruktúry.
Vývojové funkcie
Minimálny počet molekúl vody potrebných na vytvorenie ľadu je približne 275 ± 25, ako pre úplný ikozaedrický zhluk 280. K tvorbe dochádza rýchlosťou 10 10 pri rozhranie vzduch-voda a nie v objemovej vode. Rast ľadových kryštálov závisí od rôznych rýchlostí rastuenergie. Voda musí byť chránená pred zamrznutím pri kryokonzervovaní biologických vzoriek, potravín a orgánov.
To sa zvyčajne dosahuje rýchlymi rýchlosťami ochladzovania, použitím malých vzoriek a kryokonzervátora a zvýšením tlaku na tvorbu jadier ľadu a zabránenie poškodeniu buniek. Voľná energia ľadu/kvapaliny sa zvyšuje z ~30 mJ/m2 pri atmosférickom tlaku na 40 mJ/m-2 pri 200 MPa, čo naznačuje dôvod, prečo k tomuto efektu dochádza.
Aký typ kryštálovej mriežky je charakteristický pre ľad
Alternatívne môžu rásť rýchlejšie z hranolových povrchov (S2), na náhodne narušenom povrchu rýchlo zamrznutých alebo rozbúrených jazier. Rast z plôch {1 1 -2 0} je prinajmenšom rovnaký, ale mení ich na základne hranolov. Údaje o vývoji ľadového kryštálu boli úplne preskúmané. Relatívne rýchlosti rastu prvkov rôznych tvárí závisia od schopnosti vytvárať veľký stupeň hydratácie kĺbov. Teplota (nízka) okolitej vody určuje stupeň rozvetvenia ľadového kryštálu. Rast častíc je obmedzený rýchlosťou difúzie pri nízkom stupni podchladenia, t.j. <2 °C, čo vedie k ich väčšiemu počtu.
Ale obmedzené kinetikou vývoja pri vyšších úrovniach depresie >4°C, čo vedie k rastu ihly. Tento tvar je podobný štruktúre suchého ľadu (má kryštálovú mriežku s hexagonálnou štruktúrou), rôznycharakteristika vývoja povrchu a teplota okolitej (podchladenej) vody, ktorá stojí za plochými tvarmi snehových vločiek.
Tvorba ľadu v atmosfére výrazne ovplyvňuje tvorbu a vlastnosti oblakov. Živce nachádzajúce sa v púštnom prachu, ktorý vstupuje do atmosféry v miliónoch ton ročne, sú dôležitými formovateľmi. Počítačové simulácie ukázali, že je to spôsobené nukleáciou prizmatických ľadových kryštálových rovín na vysokoenergetických povrchových rovinách.
Niektoré ďalšie prvky a mriežky
Rozpustené látky (s výnimkou veľmi malého hélia a vodíka, ktoré sa môžu dostať do medzier) nemožno začleniť do štruktúry Ih pri atmosférickom tlaku, ale sú vytlačené na povrch alebo do amorfnej vrstvy medzi časticami mikrokryštalické telo. Na miestach mriežky suchého ľadu sú niektoré ďalšie prvky: chaotropné ióny, ako napríklad NH4 + a Cl -, ktoré sú súčasťou ľahšieho zmrazovania tekutín ako iné kozmotropné, ako napríklad Na + a SO42-, takže ich odstránenie nie je možné, pretože tvoria tenký film zostávajúcej kvapaliny medzi kryštálmi. To môže viesť k elektrickému nabitiu povrchu v dôsledku disociácie povrchovej vody vyrovnávajúcej zostávajúce náboje (čo môže viesť aj k magnetickému žiareniu) a k zmene pH zvyškových tekutých filmov, napr. NH 42SO4 sa stáva kyslejším a NaCl sa stáva zásaditejším.
Sú kolmé na tvárekryštálová mriežka ľadu zobrazujúca ďalšiu pripojenú vrstvu (s atómami O v čiernej farbe). Vyznačujú sa pomaly rastúcim bazálnym povrchom {0 0 0 1}, kde sú naviazané iba izolované molekuly vody. Rýchlo rastúci {1 0 -1 0} povrch hranola, kde sa páry novo naviazaných častíc môžu navzájom spájať vodíkom (jedna vodíková väzba/dve molekuly prvku). Najrýchlejšie rastúca plocha je {1 1 -2 0} (sekundárne prizmatické), kde reťazce novo naviazaných častíc môžu navzájom interagovať vodíkovou väzbou. Jeden z jej reťazcov/molekuly prvku je forma, ktorá tvorí hrebene, ktoré rozdeľujú a podporujú transformáciu na dve strany hranola.
Entropia nulového bodu
Môže byť definované ako S 0=k B ˣ Ln (N E0), kde k B je Boltzmannova konštanta, NE je počet konfigurácií pri energii E a E0 je najnižšia energia. Táto hodnota entropie hexagonálneho ľadu pri nule Kelvina neporušuje tretí termodynamický zákon „Entropia ideálneho kryštálu pri absolútnej nule je presne nula“, keďže tieto prvky a častice nie sú ideálne, majú neusporiadanú vodíkovú väzbu.
V tomto tele je vodíková väzba náhodná a rýchlo sa mení. Tieto štruktúry nie sú úplne rovnaké v energii, ale siahajú do veľmi veľkého počtu energeticky blízkych stavov, podriaďujú sa „pravidlám ľadu“. Entropia nulového bodu je porucha, ktorá by zostala, aj keby sa materiál mohol ochladiť na absolútnenula (0 K=-273, 15 °C). Vytvára experimentálny zmätok pre šesťhranný ľad 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Teoreticky by bolo možné vypočítať nulovú entropiu známych ľadových kryštálov s oveľa väčšou presnosťou (zanedbaním defektov a šírenia energetickej hladiny), ako ju určiť experimentálne.
Vedci a ich práca v tejto oblasti
Môže byť definované ako S 0=k B ˣ Ln (N E0), kde k B je Boltzmannova konštanta, NE je počet konfigurácií pri energii E a E0 je najnižšia energia. Táto hodnota entropie hexagonálneho ľadu pri nule Kelvina neporušuje tretí termodynamický zákon „Entropia ideálneho kryštálu pri absolútnej nule je presne nula“, keďže tieto prvky a častice nie sú ideálne, majú neusporiadanú vodíkovú väzbu.
V tomto tele je vodíková väzba náhodná a rýchlo sa mení. Tieto štruktúry nie sú úplne rovnaké v energii, ale siahajú do veľmi veľkého počtu energeticky blízkych stavov, podriaďujú sa „pravidlám ľadu“. Entropia nulového bodu je porucha, ktorá by zostala, aj keby sa materiál mohol ochladiť na absolútnu nulu (0 K=-273,15 °C). Vytvára experimentálny zmätok pre šesťhranný ľad 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Teoreticky by bolo možné vypočítať nulovú entropiu známych ľadových kryštálov s oveľa väčšou presnosťou (zanedbaním defektov a šírenia energetickej hladiny), ako ju určiť experimentálne.
Hoci poradie protónov vo veľkom ľade nie je usporiadané, povrch pravdepodobne uprednostňuje poradie týchto častíc vo forme pásov visiacich H-atómov a O-jednoduchých párov (nulová entropia s usporiadanými vodíkovými väzbami). Zisťuje sa porucha nulového bodu ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 a ďalšie. Zo všetkého vyššie uvedeného je jasné a pochopiteľné, aké typy kryštálových mriežok sú charakteristické pre ľad.
