De driedimensionale toestand van vloeibaar water is moeilijk te bestuderen, maar er is veel geleerd door de structuur van ijskristallen te analyseren. Vier naburige zuurstofatomen die met waterstof in wisselwerking staan, bezetten de hoekpunten van een tetraëder (tetra=vier, hedron=vlak). De gemiddelde energie die nodig is om zo'n binding in ijs te verbreken wordt geschat op 23 kJ/mol-1.
Het vermogen van watermoleculen om een bepaald aantal waterstofketens te vormen, evenals een bepaalde sterkte, zorgt voor een ongewoon hoog smeltpunt. Wanneer het smelt, wordt het vastgehouden door vloeibaar water, waarvan de structuur onregelmatig is. De meeste waterstofbruggen zijn vervormd. Er is een grote hoeveelheid energie in de vorm van warmte nodig om het kristalrooster van waterstofgebonden ijs te breken.
Kenmerken van het uiterlijk van ijs (Ih)
Veel inwoners vragen zich af wat voor soort kristalroosterijs heeft. VereistOpgemerkt moet worden dat de dichtheid van de meeste stoffen toeneemt tijdens bevriezing, wanneer moleculaire bewegingen vertragen en dicht opeengepakte kristallen worden gevormd. De dichtheid van water neemt ook toe als het afkoelt tot een maximum van 4°C (277K). Als de temperatuur onder deze waarde da alt, zet deze uit.
Deze toename is te wijten aan de vorming van een open, waterstofgebonden ijskristal met zijn rooster en lagere dichtheid, waarin elk watermolecuul star gebonden is door het bovenstaande element en vier andere waarden, terwijl het snel genoeg beweegt om meer massa hebben. Omdat deze actie plaatsvindt, bevriest de vloeistof van boven naar beneden. Dit heeft belangrijke biologische resultaten, waardoor de ijslaag op de vijver levende wezens isoleert tegen extreme kou. Daarnaast zijn er twee aanvullende eigenschappen van water die verband houden met de waterstofeigenschappen: soortelijke warmte en verdamping.
Gedetailleerde beschrijving van constructies
Het eerste criterium is de hoeveelheid die nodig is om de temperatuur van 1 gram van een stof met 1°C te verhogen. Het verhogen van de graden van water vereist relatief veel warmte omdat elk molecuul betrokken is bij talloze waterstofbruggen die moeten worden verbroken om de kinetische energie te laten toenemen. Trouwens, de overvloed aan H2O in de cellen en weefsels van alle grote meercellige organismen betekent dat temperatuurschommelingen in de cellen tot een minimum worden beperkt. Deze functie is cruciaal, aangezien de snelheid van de meeste biochemische reactiesgevoelig.
De verdampingswarmte van water is ook aanzienlijk hoger dan die van veel andere vloeistoffen. Er is veel warmte nodig om dit lichaam in een gas om te zetten, omdat de waterstofbruggen moeten worden verbroken om de watermoleculen uit elkaar te laten bewegen en in de genoemde fase terecht te komen. Veranderlijke lichamen zijn permanente dipolen en kunnen interageren met andere soortgelijke verbindingen en verbindingen die ioniseren en oplossen.
Andere hierboven genoemde stoffen kunnen alleen in contact komen als polariteit aanwezig is. Het is deze verbinding die betrokken is bij de structuur van deze elementen. Bovendien kan het zich uitlijnen rond deze deeltjes gevormd uit elektrolyten, zodat de negatieve zuurstofatomen van de watermoleculen zijn gericht op de kationen en de positieve ionen en waterstofatomen zijn gericht op de anionen.
In vaste stoffen worden in de regel moleculaire kristalroosters en atomaire roosters gevormd. Dat wil zeggen, als jodium zo is opgebouwd dat het I2, bevat, dan zijn in vast koolstofdioxide, dat wil zeggen in droogijs, CO2-moleculen gelegen op de kristalroosterknooppunten . Bij interactie met vergelijkbare stoffen heeft ijs een ionisch kristalrooster. Grafiet, bijvoorbeeld, dat een atomaire structuur heeft op basis van koolstof, kan het niet veranderen, net als diamant.
Wat gebeurt er als een kristal van tafelzout oplost in water: polaire moleculen worden aangetrokken door geladen elementen in het kristal, wat leidt tot de vorming van vergelijkbare deeltjes natrium en chloride op het oppervlak, wat resulteert in deze lichamenzijn ontwricht van elkaar, en het begint op te lossen. Vanaf hier kan worden waargenomen dat ijs een kristalrooster heeft met ionische binding. Elke opgeloste Na + trekt de negatieve uiteinden van verschillende watermoleculen aan, terwijl elke opgeloste Cl - de positieve uiteinden aantrekt. De schil die elk ion omringt, wordt de ontsnappingsbol genoemd en bevat gewoonlijk meerdere lagen oplosmiddeldeeltjes.
Droogijskristalrooster
Van variabelen of een ion omgeven door elementen wordt gezegd dat ze gesulfateerd zijn. Wanneer het oplosmiddel water is, worden dergelijke deeltjes gehydrateerd. Dus elk polair molecuul heeft de neiging om te worden opgelost door de elementen van het vloeibare lichaam. In droogijs vormt het type kristalrooster atomaire bindingen in de aggregatietoestand, die onveranderd zijn. Een ander ding is kristallijn ijs (bevroren water). Ionische organische verbindingen zoals carboxylase en geprotoneerde aminen moeten oplosbaar zijn in hydroxyl- en carbonylgroepen. De deeltjes in dergelijke structuren bewegen tussen moleculen en hun polaire systemen vormen waterstofbruggen met dit lichaam.
Natuurlijk heeft het aantal van de laatst aangegeven groepen in een molecuul invloed op de oplosbaarheid ervan, die ook afhangt van de reactie van verschillende structuren in het element: alcoholen met één, twee en drie koolstofatomen zijn bijvoorbeeld mengbaar met water, maar grotere koolwaterstoffen met enkelvoudige hydroxylverbindingen zijn veel minder verdund in vloeistoffen.
Hexagonal Ih is qua vorm vergelijkbaar metatomair kristalrooster. Voor ijs en alle natuurlijke sneeuw op aarde ziet het er precies zo uit. Dit blijkt uit de symmetrie van het kristalrooster van ijs, gegroeid uit waterdamp (dat wil zeggen sneeuwvlokken). Het zit in ruimtegroep P 63/mm vanaf 194; D 6h, Laue-klasse 6/mm; vergelijkbaar met β-, die een veelvoud van 6 spiraalvormige assen heeft (rotatie rond naast verschuiving erlangs). Het heeft een vrij open structuur met lage dichtheid waar de efficiëntie laag is (~ 1/3) in vergelijking met eenvoudige kubische (~ 1/2) of vlak gecentreerde kubieke (~ 3/4) structuren.
Vergeleken met gewoon ijs is het kristalrooster van droogijs, gebonden door CO2-moleculen, statisch en verandert alleen wanneer atomen vervallen.
Beschrijving van roosters en hun elementen
Kristalen kunnen worden gezien als kristallijne modellen, bestaande uit platen die boven elkaar zijn geplaatst. De waterstofbinding is geordend, terwijl deze in werkelijkheid willekeurig is, aangezien protonen zich bij temperaturen boven ongeveer 5 K tussen water(ijs)moleculen kunnen verplaatsen. Het is inderdaad waarschijnlijk dat protonen zich gedragen als een kwantumvloeistof in een constante tunnelende stroom. Dit wordt versterkt door de verstrooiing van neutronen, die hun verstrooiingsdichtheid halverwege de zuurstofatomen laten zien, wat wijst op lokalisatie en gezamenlijke beweging. Hier is er een overeenkomst van ijs met een atomair, moleculair kristalrooster.
Moleculen hebben een verspringende rangschikking van de waterstofketenmet betrekking tot zijn drie buren in het vliegtuig. Het vierde element heeft een verduisterde waterstofbrugrangschikking. Er is een kleine afwijking van perfecte hexagonale symmetrie, aangezien de eenheidscel 0,3% korter is in de richting van deze keten. Alle moleculen ervaren dezelfde moleculaire omgevingen. Er is voldoende ruimte in elke "doos" om deeltjes interstitieel water vast te houden. Hoewel ze niet algemeen worden beschouwd, zijn ze onlangs effectief gedetecteerd door neutronendiffractie van het poedervormige kristalrooster van ijs.
Stoffen veranderen
Het zeshoekige lichaam heeft drievoudige punten met vloeibaar en gasvormig water 0,01 ° C, 612 Pa, vaste elementen - drie -21,985 ° C, 209,9 MPa, elf en twee -199,8 ° C, 70 MPa, evenals - 34,7 ° C, 212,9 MPa. De diëlektrische constante van hexagonaal ijs is 97,5.
De smeltcurve van dit element wordt gegeven door MPa. De toestandsvergelijkingen zijn beschikbaar, naast deze enkele eenvoudige ongelijkheden die de verandering in fysische eigenschappen relateren aan de temperatuur van hexagonaal ijs en zijn waterige suspensies. De hardheid fluctueert met graden stijgend van of onder gips (≦2) bij 0°C tot veldspaat (6 Mohs) bij -80°C, een abnormaal grote verandering in absolute hardheid (> 24 keer).
Het hexagonale kristalrooster van ijs vormt hexagonale platen en kolommen, waarbij de boven- en ondervlakken de basisvlakken zijn {0 0 0 1} met een enthalpie van 5,57 μJ cm -2en andere gelijkwaardige zijdelen worden delen van het prisma {1 0 -1 0} genoemd met 5, 94µJ cm -2. Secundaire oppervlakken {1 1 -2 0} met 6,90 ΜJ ˣ cm -2 kunnen worden gevormd langs de vlakken gevormd door de zijkanten van de constructies.
Een dergelijke structuur vertoont een abnormale afname in thermische geleidbaarheid bij toenemende druk (evenals kubisch en amorf ijs met een lage dichtheid), maar verschilt van de meeste kristallen. Dit komt door een verandering in de waterstofbinding, die de transversale geluidssnelheid in het kristalrooster van ijs en water vermindert.
Er zijn methoden die beschrijven hoe grote kristalmonsters en elk gewenst ijsoppervlak moeten worden bereid. Aangenomen wordt dat de waterstofbinding op het oppervlak van het te bestuderen hexagonale lichaam meer geordend zal zijn dan binnen het bulksysteem. Variatiespectroscopie met faseroosterfrequentiegeneratie heeft aangetoond dat er een structurele asymmetrie is tussen de twee bovenste lagen (L1 en L2) in de ondergrondse HO-keten van het basale oppervlak van hexagonaal ijs. De aangenomen waterstofbruggen in de bovenste lagen van de zeshoeken (L1 O ··· HO L2) zijn sterker dan die aanvaard in de tweede laag tot de bovenste accumulatie (L1 OH ··· O L2). Interactieve zeshoekige ijsstructuren beschikbaar.
Ontwikkelingsfuncties
Het minimum aantal watermoleculen dat nodig is om ijs te vormen is ongeveer 275 ± 25, zoals voor een volledige icosaëdrische cluster van 280. De vorming vindt plaats met een snelheid van 10 10 aan de lucht-water interface en niet in bulkwater. De groei van ijskristallen hangt af van verschillende groeisnelheden van verschillendeenergieën. Water moet worden beschermd tegen bevriezing bij het invriezen van biologische monsters, voedsel en organen.
Dit wordt meestal bereikt door snelle afkoelingssnelheden, het gebruik van kleine monsters en een cryoconservator, en toenemende druk om ijs te vormen en celbeschadiging te voorkomen. De vrije energie van ijs/vloeistof neemt toe van ~30 mJ/m2 bij atmosferische druk tot 40 mJ/m-2 bij 200 MPa, wat aangeeft reden waarom dit effect optreedt.
Welk type kristalrooster is kenmerkend voor ijs
Als alternatief kunnen ze sneller groeien vanaf prisma-oppervlakken (S2), op het willekeurig verstoorde oppervlak van diepgevroren of geagiteerde meren. De groei van de {1 1 -2 0} vlakken is tenminste hetzelfde, maar verandert ze in prismabases. De gegevens over de ontwikkeling van het ijskristal zijn volledig onderzocht. De relatieve groeisnelheden van elementen van verschillende gezichten hangen af van het vermogen om een grote mate van gezamenlijke hydratatie te vormen. De temperatuur (laag) van het omringende water bepa alt de mate van vertakking in het ijskristal. De deeltjesgroei wordt beperkt door de diffusiesnelheid bij een lage graad van onderkoeling, d.w.z. <2 ° C, wat resulteert in meer van hen.
Maar beperkt door ontwikkelingskinetiek bij hogere depressieniveaus van >4°C, wat resulteert in naaldgroei. Deze vorm is vergelijkbaar met de structuur van droogijs (heeft een kristalrooster met een hexagonale structuur), verschillendekenmerken van oppervlakteontwikkeling en de temperatuur van het omringende (onderkoelde) water, dat zich achter de platte vormen van sneeuwvlokken bevindt.
De vorming van ijs in de atmosfeer heeft een grote invloed op de vorming en eigenschappen van wolken. Veldspaten, gevonden in woestijnstof dat in miljoenen tonnen per jaar in de atmosfeer terechtkomt, zijn belangrijke vormers. Computersimulaties hebben aangetoond dat dit te wijten is aan de nucleatie van prismatische ijskristalvlakken op hoogenergetische oppervlaktevlakken.
Enkele andere elementen en roosters
Opgeloste stoffen (met uitzondering van zeer kleine helium en waterstof, die de tussenruimten kunnen binnendringen) kunnen bij atmosferische druk niet in de Ih-structuur worden opgenomen, maar worden naar het oppervlak of de amorfe laag tussen de deeltjes van de microkristallijn lichaam. Er zijn enkele andere elementen op de roosterplaatsen van droogijs: chaotrope ionen zoals NH4 + en Cl - die zijn opgenomen in lichtere vloeibare bevriezing dan andere kosmotrope zoals Na + en SO42-, dus het is niet mogelijk om ze te verwijderen omdat ze een dunne film vormen van de resterende vloeistof tussen de kristallen. Dit kan leiden tot elektrische oplading van het oppervlak als gevolg van dissociatie van oppervlaktewater die de resterende ladingen in evenwicht houdt (wat ook kan leiden tot magnetische straling) en een verandering in de pH van de resterende vloeistoffilms, bijv. NH 42SO4 wordt zuurder en NaCl wordt basisch.
Ze staan loodrecht op de gezichtenkristalrooster van ijs met de volgende laag bevestigd (met O-atomen in het zwart). Ze worden gekenmerkt door een langzaam groeiend basaal oppervlak {0 0 0 1}, waar alleen geïsoleerde watermoleculen aan vastzitten. Een snel groeiend {1 0 -1 0} oppervlak van een prisma waar paren nieuw aangehechte deeltjes met waterstof aan elkaar kunnen binden (één waterstofbinding/twee moleculen van een element). Het snelst groeiende vlak is {1 1 -2 0} (secundair prismatisch), waar ketens van nieuw aangehechte deeltjes met elkaar kunnen interageren door waterstofbinding. Een van haar ketens/elementmolecuul is een vorm die richels vormt die de transformatie naar twee kanten van het prisma verdelen en aanmoedigen.
Nulpunt entropie
Kan gedefinieerd worden als S 0=k B ˣ Ln (N E0), waarbij k B de Boltzmann-constante is, NE het aantal configuraties bij de energie E is, en E0 de laagste energie is. Deze waarde voor de entropie van hexagonaal ijs bij nul Kelvin is niet in strijd met de derde wet van de thermodynamica: "De entropie van een ideaal kristal op het absolute nulpunt is precies nul", aangezien deze elementen en deeltjes niet ideaal zijn en een verstoorde waterstofbinding hebben.
In dit lichaam is de waterstofbrug willekeurig en verandert snel. Deze structuren zijn niet precies gelijk in energie, maar strekken zich uit tot een zeer groot aantal energetisch nabije toestanden, gehoorzamen aan de "regels van ijs". Nulpunt-entropie is de wanorde die zou blijven bestaan, zelfs als het materiaal zou kunnen worden afgekoeld tot absoluutnul (0 K=-273, 15 ° C). Genereert experimentele verwarring voor hexagonaal ijs 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Theoretisch zou het mogelijk zijn om de nul-entropie van bekende ijskristallen met veel grotere nauwkeurigheid te berekenen (verwaarlozing van defecten en spreiding van het energieniveau) dan om deze experimenteel te bepalen.
Wetenschappers en hun werk op dit gebied
Kan gedefinieerd worden als S 0=k B ˣ Ln (N E0), waarbij k B de Boltzmann-constante is, NE het aantal configuraties bij de energie E is, en E0 de laagste energie is. Deze waarde voor de entropie van hexagonaal ijs bij nul Kelvin is niet in strijd met de derde wet van de thermodynamica: "De entropie van een ideaal kristal op het absolute nulpunt is precies nul", aangezien deze elementen en deeltjes niet ideaal zijn en een verstoorde waterstofbinding hebben.
In dit lichaam is de waterstofbrug willekeurig en verandert snel. Deze structuren zijn niet precies gelijk in energie, maar strekken zich uit tot een zeer groot aantal energetisch nabije toestanden, gehoorzamen aan de "regels van ijs". Nulpuntentropie is de stoornis die zou blijven bestaan, zelfs als het materiaal zou kunnen worden afgekoeld tot het absolute nulpunt (0 K=-273,15 °C). Genereert experimentele verwarring voor hexagonaal ijs 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Theoretisch zou het mogelijk zijn om de nul-entropie van bekende ijskristallen met veel grotere nauwkeurigheid te berekenen (verwaarlozing van defecten en spreiding van het energieniveau) dan om deze experimenteel te bepalen.
Hoewel de volgorde van protonen in bulkijs niet is geordend, geeft het oppervlak waarschijnlijk de voorkeur aan de volgorde van deze deeltjes in de vorm van banden van hangende H-atomen en O-enkele paren (nul-entropie met geordende waterstofbruggen). De nulpuntstoornis ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 en anderen wordt gevonden. Uit al het bovenstaande is het duidelijk en begrijpelijk welke soorten kristalroosters kenmerkend zijn voor ijs.
