Ang three-dimensional na estado ng likidong tubig ay mahirap pag-aralan, ngunit marami ang natutunan sa pamamagitan ng pagsusuri sa istruktura ng mga kristal na yelo. Apat na magkakalapit na hydrogen-interacting oxygen atoms ang sumasakop sa vertices ng isang tetrahedron (tetra=apat, hedron=plane). Ang average na enerhiya na kinakailangan upang masira ang gayong bono sa yelo ay tinatantya sa 23 kJ/mol-1.
Ang kakayahan ng mga molekula ng tubig na bumuo ng isang tiyak na bilang ng mga chain ng hydrogen, pati na rin ang isang ibinigay na lakas, ay lumilikha ng isang hindi karaniwang mataas na punto ng pagkatunaw. Kapag ito ay natutunaw, ito ay hawak ng likidong tubig, na ang istraktura ay hindi regular. Karamihan sa mga bono ng hydrogen ay nasira. Nangangailangan ng malaking halaga ng enerhiya sa anyo ng init upang masira ang kristal na sala-sala ng hydrogen-bonded na yelo.
Mga tampok ng hitsura ng yelo (Ih)
Marami sa mga naninirahan ang nagtataka kung anong uri ng crystal lattice ice ang mayroon. KailanganDapat pansinin na ang densidad ng karamihan sa mga sangkap ay tumataas sa panahon ng pagyeyelo, kapag ang mga paggalaw ng molekular ay bumagal at ang makapal na nakaimpake na mga kristal ay nabuo. Tumataas din ang density ng tubig habang lumalamig ito sa maximum na 4°C (277K). Pagkatapos, kapag bumaba ang temperatura sa halagang ito, lumalawak ito.
Ang pagtaas na ito ay dahil sa pagbuo ng isang bukas, hydrogen-bonded na ice crystal na may sala-sala at mas mababang density nito, kung saan ang bawat molekula ng tubig ay mahigpit na nakagapos ng elemento sa itaas at apat na iba pang value, habang kumikilos nang mabilis hanggang sa magkaroon ng mass. Dahil ang pagkilos na ito ay nangyayari, ang likido ay nagyeyelo mula sa itaas hanggang sa ibaba. Ito ay may mahalagang biological na mga resulta, bilang isang resulta ng kung saan ang layer ng yelo sa pond insulates buhay na nilalang ang layo mula sa matinding lamig. Bilang karagdagan, dalawang karagdagang katangian ng tubig ang nauugnay sa mga katangian ng hydrogen nito: tiyak na init at pagsingaw.
Detalyadong paglalarawan ng mga istruktura
Ang unang criterion ay ang halagang kailangan upang itaas ang temperatura ng 1 gramo ng isang substance ng 1°C. Ang pagtaas ng mga antas ng tubig ay nangangailangan ng medyo malaking halaga ng init dahil ang bawat molekula ay kasangkot sa maraming mga bono ng hydrogen na dapat masira upang tumaas ang kinetic energy. Siyanga pala, ang kasaganaan ng H2O sa mga cell at tissue ng lahat ng malalaking multicellular na organismo ay nangangahulugan na ang mga pagbabago sa temperatura sa loob ng mga cell ay mababawasan. Ang tampok na ito ay mahalaga, dahil ang rate ng karamihan sa mga biochemical reaksyonsensitibo.
Ang init ng singaw ng tubig ay mas mataas din kaysa sa maraming iba pang likido. Ang isang malaking halaga ng init ay kinakailangan upang ma-convert ang katawan na ito sa isang gas, dahil ang mga hydrogen bond ay dapat na masira upang ang mga molekula ng tubig ay mag-dislocate mula sa isa't isa at makapasok sa nasabing yugto. Ang mga nababagong katawan ay permanenteng dipoles at maaaring makipag-ugnayan sa iba pang katulad na mga compound at yaong nag-iionize at natutunaw.
Ang iba pang mga substance na binanggit sa itaas ay maaari lamang magkaroon ng contact kung mayroong polarity. Ito ang tambalang ito na kasangkot sa istraktura ng mga elementong ito. Bilang karagdagan, maaari itong ihanay sa paligid ng mga particle na ito na nabuo mula sa mga electrolyte, upang ang mga negatibong atomo ng oxygen ng mga molekula ng tubig ay nakatuon sa mga kasyon, at ang mga positibong ion at mga atomo ng hydrogen ay nakatuon sa mga anion.
Sa mga solido, bilang panuntunan, nabubuo ang mga molekular na kristal na sala-sala at mga atomic. Iyon ay, kung ang iodine ay binuo sa paraang naglalaman ito ng I2, , pagkatapos ay sa solid carbon dioxide, iyon ay, sa dry ice, ang CO2 molecules ay matatagpuan sa mga crystal lattice node . Kapag nakikipag-ugnayan sa mga katulad na sangkap, ang yelo ay may isang ionic na kristal na sala-sala. Ang graphite, halimbawa, na may atomic na istrakturang batay sa carbon, ay hindi ito mababago, tulad ng brilyante.
Ano ang mangyayari kapag ang isang kristal ng table s alt ay natunaw sa tubig: ang mga polar molecule ay naaakit sa mga sinisingil na elemento sa kristal, na humahantong sa pagbuo ng mga katulad na particle ng sodium at chloride sa ibabaw nito, na nagreresulta sa mga katawan na itoay dislocate mula sa isa't isa, at ito ay nagsisimulang matunaw. Mula dito mapapansin na ang yelo ay may kristal na sala-sala na may ionic bonding. Ang bawat natunaw na Na + ay umaakit sa mga negatibong dulo ng ilang molekula ng tubig, habang ang bawat natunaw na Cl - ay umaakit sa mga positibong dulo. Ang shell na nakapalibot sa bawat ion ay tinatawag na escape sphere at kadalasang naglalaman ng ilang layer ng solvent particle.
Dry ice crystal lattice
Ang mga variable o isang ion na napapalibutan ng mga elemento ay sinasabing sulfated. Kapag ang solvent ay tubig, ang mga particle ay na-hydrated. Kaya, ang anumang polar molecule ay may posibilidad na matunaw ng mga elemento ng likidong katawan. Sa tuyong yelo, ang uri ng kristal na sala-sala ay bumubuo ng mga atomic bond sa estado ng pagsasama-sama, na hindi nagbabago. Ang isa pang bagay ay mala-kristal na yelo (frozen na tubig). Ang mga ionic organic compound tulad ng carboxylase at protonated amines ay dapat na natutunaw sa hydroxyl at carbonyl group. Ang mga particle na nakapaloob sa gayong mga istruktura ay gumagalaw sa pagitan ng mga molekula, at ang kanilang mga polar system ay bumubuo ng mga hydrogen bond sa katawan na ito.
Siyempre, ang bilang ng mga huling ipinahiwatig na mga grupo sa isang molekula ay nakakaapekto sa solubility nito, na nakasalalay din sa reaksyon ng iba't ibang istruktura sa elemento: halimbawa, ang isa-, dalawa- at tatlong-carbon na alkohol ay nahahalo. may tubig, ngunit ang mas malalaking hydrocarbon na may mga solong hydroxyl compound ay hindi gaanong natunaw sa mga likido.
Hexagonal Ih ay katulad ng hugis saatomic crystal na sala-sala. Para sa yelo at lahat ng natural na snow sa Earth, ganito ang hitsura nito. Ito ay pinatunayan ng simetrya ng kristal na sala-sala ng yelo, na lumago mula sa singaw ng tubig (iyon ay, mga snowflake). Ito ay nasa space group na P 63/mm mula sa 194; D 6h, Laue klase 6/mm; katulad ng β-, na may maramihang 6 helical axis (pag-ikot sa paligid bilang karagdagan sa paglilipat kasama nito). Mayroon itong medyo bukas na low density na istraktura kung saan mababa ang kahusayan (~1/3) kumpara sa simpleng cubic (~1/2) o face centered cubic (~3/4) na istruktura.
Kung ikukumpara sa ordinaryong yelo, ang kristal na sala-sala ng tuyong yelo, na nakatali ng mga molekula ng CO2, ay static at nagbabago lamang kapag nabulok ang mga atom.
Paglalarawan ng mga grating at mga elemento ng mga ito
Maaaring tingnan ang mga kristal bilang mga kristal na modelo, na binubuo ng mga sheet na nakalagay sa itaas ng isa. Ang hydrogen bond ay iniutos, habang sa katotohanan ito ay random, dahil ang mga proton ay maaaring lumipat sa pagitan ng mga molekula ng tubig (yelo) sa mga temperatura na higit sa 5 K. Sa katunayan, malamang na ang mga proton ay kumikilos tulad ng isang quantum fluid sa isang tuluy-tuloy na daloy ng tunneling. Ito ay pinahusay ng scattering ng mga neutron, na nagpapakita ng kanilang scattering density sa pagitan ng mga atomo ng oxygen, na nagpapahiwatig ng lokalisasyon at pinagsama-samang paggalaw. Dito ay may pagkakatulad ang yelo sa isang atomic, molekular na kristal na sala-sala.
Ang mga molekula ay may staggered arrangement ng hydrogen chaintungkol sa tatlong kapitbahay nito sa eroplano. Ang ikaapat na elemento ay may eclipsed hydrogen bond arrangement. Mayroong bahagyang paglihis mula sa perpektong hexagonal symmetry, dahil ang unit cell ay 0.3% na mas maikli sa direksyon ng chain na ito. Ang lahat ng mga molekula ay nakakaranas ng parehong molekular na kapaligiran. May sapat na espasyo sa loob ng bawat "kahon" upang hawakan ang mga particle ng interstitial na tubig. Bagama't hindi karaniwang isinasaalang-alang, kamakailan lamang ay epektibong natukoy ang mga ito sa pamamagitan ng neutron diffraction ng powdery crystal na sala-sala ng yelo.
Nagbabagong Substance
Ang hexagonal body ay may triple point na may likido at gas na tubig na 0.01 ° C, 612 Pa, mga solidong elemento - tatlo -21.985 ° C, 209.9 MPa, labing-isa at dalawa -199.8 ° C, 70 MPa, pati na rin - 34.7 ° C, 212.9 MPa. Ang dielectric constant ng hexagonal ice ay 97.5.
Ang melting curve ng elementong ito ay ibinibigay ng MPa. Ang mga equation ng estado ay magagamit, bilang karagdagan sa mga ito, ilang mga simpleng hindi pagkakapantay-pantay na nauugnay ang pagbabago sa mga pisikal na katangian sa temperatura ng hexagonal na yelo at ang mga may tubig na suspensyon nito. Pabagu-bago ang tigas na may mga degree na tumataas mula o mas mababa sa gypsum (≦2) sa 0°C hanggang sa feldspar (6 Mohs) sa -80°C, isang abnormal na malaking pagbabago sa ganap na tigas (> 24 beses).
Ang hexagonal na kristal na sala-sala ng yelo ay bumubuo ng mga hexagonal na plato at column, kung saan ang itaas at ibabang mukha ay ang mga basal na eroplano {0 0 0 1} na may enthalpy na 5.57 μJ cm -2, at iba pang katumbas na bahagi ng gilid ay tinatawag na mga bahagi ng prisma {1 0 -1 0} na may 5, 94µJ cm -2. Ang mga pangalawang ibabaw {1 1 -2 0} na may 6.90 ΜJ ˣ cm -2 ay maaaring mabuo kasama ng mga eroplanong nabuo sa mga gilid ng mga istruktura.
Ang ganitong istraktura ay nagpapakita ng maanomalyang pagbaba sa thermal conductivity na may tumataas na presyon (pati na rin ang cubic at amorphous na yelo na may mababang density), ngunit naiiba sa karamihan ng mga kristal. Ito ay dahil sa pagbabago sa hydrogen bond, na nagpapababa sa transverse speed ng tunog sa crystal lattice ng yelo at tubig.
May mga pamamaraan na naglalarawan kung paano maghanda ng malalaking sample ng kristal at anumang gustong ibabaw ng yelo. Ipinapalagay na ang hydrogen bond sa ibabaw ng heksagonal na katawan sa ilalim ng pag-aaral ay mas maayos kaysa sa loob ng bulk system. Ang variational spectroscopy na may phase-lattice frequency generation ay nagpakita na mayroong structural asymmetry sa pagitan ng dalawang upper layers (L1 at L2) sa subsurface HO chain ng basal surface ng hexagonal ice. Ang pinagtibay na mga bono ng hydrogen sa itaas na mga layer ng mga hexagons (L1 O ··· HO L2) ay mas malakas kaysa sa mga tinatanggap sa pangalawang layer sa itaas na akumulasyon (L1 OH ··· O L2). Available ang mga interactive na hexagonal ice structure.
Mga Feature ng Pag-develop
Ang pinakamababang bilang ng mga molekula ng tubig na kailangan upang makabuo ng yelo ay humigit-kumulang 275 ± 25, tulad ng para sa kumpletong kumpol ng icosahedral na 280. Nagaganap ang pagbuo sa bilis na 10 10 sa air-water interface at hindi sa bulk water. Ang paglago ng mga kristal ng yelo ay nakasalalay sa iba't ibang mga rate ng paglago ng iba't ibangmga enerhiya. Dapat protektahan ang tubig mula sa pagyeyelo kapag nag-iingat ng mga biological specimen, pagkain, at organo ng cryopreserving.
Karaniwang nakakamit ito sa pamamagitan ng mabilis na mga rate ng paglamig, paggamit ng maliliit na sample at cryoconservator, at pagtaas ng presyon upang mag-nucleate ng yelo at maiwasan ang pagkasira ng cell. Ang libreng enerhiya ng yelo/likido ay tumataas mula ~30 mJ/m2 sa atmospheric pressure hanggang 40 mJ/m-2 sa 200 MPa, na nagpapahiwatig dahilan kung bakit nangyayari ang epektong ito.
Anong uri ng crystal lattice ang katangian ng yelo
Bilang kahalili, maaari silang lumaki nang mas mabilis mula sa mga prism surface (S2), sa random na pagkagambala sa ibabaw ng mabilis na nagyelo o nabalisa na mga lawa. Ang paglaki mula sa {1 1 -2 0} na mga mukha ay hindi bababa sa pareho, ngunit ginagawa silang mga prism base. Ang data sa pagbuo ng ice crystal ay ganap na sinisiyasat. Ang kamag-anak na mga rate ng paglago ng mga elemento ng iba't ibang mga mukha ay nakasalalay sa kakayahang bumuo ng isang malaking antas ng magkasanib na hydration. Tinutukoy ng temperatura (mababa) ng nakapalibot na tubig ang antas ng pagsanga sa kristal ng yelo. Ang paglaki ng particle ay nalilimitahan ng diffusion rate sa mababang antas ng supercooling, i.e. <2 ° C, na nagreresulta sa higit pa sa mga ito.
Ngunit nalilimitahan ng development kinetics sa mas mataas na antas ng depression na >4°C, na nagreresulta sa paglaki ng karayom. Ang hugis na ito ay katulad ng istraktura ng tuyong yelo (may kristal na sala-sala na may heksagonal na istraktura), iba't ibamga katangian ng pag-unlad sa ibabaw at ang temperatura ng nakapalibot na (supercooled) na tubig, na nasa likod ng mga patag na hugis ng mga snowflake.
Ang pagbuo ng yelo sa atmospera ay lubos na nakakaapekto sa pagbuo at mga katangian ng mga ulap. Ang mga feldspar, na matatagpuan sa alikabok ng disyerto na pumapasok sa atmospera sa milyun-milyong tonelada bawat taon, ay mahalagang mga nabubuo. Ipinakita ng mga computer simulation na ito ay dahil sa nucleation ng prismatic ice crystal plane sa mga high-energy surface plane.
Ilan pang elemento at sala-sala
Ang mga dissolved substance (maliban sa napakaliit na helium at hydrogen, na maaaring pumasok sa interstices) ay hindi maaaring isama sa Ih structure sa atmospheric pressure, ngunit pinipilit lumabas sa ibabaw o amorphous na layer sa pagitan ng mga particle ng microcrystalline na katawan. Mayroong ilang iba pang elemento sa mga lattice site ng dry ice: chaotropic ions gaya ng NH4 + at Cl - na kasama sa mas magaang likidong pagyeyelo kaysa sa iba pang mga cosmotropic gaya ng Na + at SO42-, kaya hindi posible na alisin ang mga ito dahil sa katotohanan na bumubuo sila ng manipis na pelikula ng natitirang likido sa pagitan ng mga kristal. Maaari itong humantong sa electrical charging ng surface dahil sa dissociation ng surface water na nagbabalanse sa mga natitirang charge (na maaari ding humantong sa magnetic radiation) at pagbabago sa pH ng mga natitirang liquid film, hal. NH 42SO4 ay nagiging mas acidic at ang NaCl ay nagiging mas basic.
Ang mga ito ay patayo sa mga mukhakristal na sala-sala ng yelo na nagpapakita ng susunod na layer na nakakabit (na may mga atomo na O sa itim). Ang mga ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng dahan-dahang lumalagong basal na ibabaw {0 0 0 1}, kung saan tanging mga nakahiwalay na molekula ng tubig ang nakakabit. Isang mabilis na lumalagong {1 0 -1 0} na ibabaw ng isang prisma kung saan ang mga pares ng mga bagong nakakabit na particle ay maaaring mag-bonding sa isa't isa ng hydrogen (isang hydrogen bond/dalawang molekula ng isang elemento). Ang pinakamabilis na lumalagong mukha ay {1 1 -2 0} (pangalawang prismatic), kung saan ang mga chain ng mga bagong nakakabit na particle ay maaaring makipag-ugnayan sa isa't isa sa pamamagitan ng hydrogen bonding. Ang isa sa kanyang mga chain/element molecule ay isang anyo na bumubuo ng mga tagaytay na naghahati at naghihikayat ng pagbabago sa dalawang panig ng prisma.
Zero point entropy
Maaaring tukuyin bilang S 0=k B ˣ Ln (N E0), kung saan ang k B ay ang Boltzmann constant, NE ay ang bilang ng mga configuration sa energy E, at ang E0 ay ang pinakamababang enerhiya. Ang halagang ito para sa entropy ng hexagonal ice sa zero Kelvin ay hindi lumalabag sa ikatlong batas ng thermodynamics "Ang entropy ng isang perpektong kristal sa absolute zero ay eksaktong zero", dahil ang mga elemento at particle na ito ay hindi perpekto, ay may hindi maayos na hydrogen bonding.
Sa katawan na ito, ang hydrogen bond ay random at mabilis na nagbabago. Ang mga istrukturang ito ay hindi eksaktong pantay sa enerhiya, ngunit umaabot sa isang napakalaking bilang ng mga energetically malapit na estado, sumunod sa "mga panuntunan ng yelo". Ang zero point entropy ay ang disorder na mananatili kahit na ang materyal ay maaaring palamigin hanggang sa ganapzero (0 K=-273, 15 ° C). Bumubuo ng pang-eksperimentong pagkalito para sa hexagonal ice 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Sa teorya, posibleng kalkulahin ang zero entropy ng mga kilalang kristal ng yelo na may higit na katumpakan (pagpapabaya sa mga depekto at pagkalat ng antas ng enerhiya) kaysa sa pagtukoy dito sa eksperimentong paraan.
Mga siyentipiko at ang kanilang trabaho sa lugar na ito
Maaaring tukuyin bilang S 0=k B ˣ Ln (N E0), kung saan ang k B ay ang Boltzmann constant, NE ay ang bilang ng mga configuration sa energy E, at ang E0 ay ang pinakamababang enerhiya. Ang halagang ito para sa entropy ng hexagonal ice sa zero Kelvin ay hindi lumalabag sa ikatlong batas ng thermodynamics "Ang entropy ng isang perpektong kristal sa absolute zero ay eksaktong zero", dahil ang mga elemento at particle na ito ay hindi perpekto, ay may hindi maayos na hydrogen bonding.
Sa katawan na ito, ang hydrogen bond ay random at mabilis na nagbabago. Ang mga istrukturang ito ay hindi eksaktong pantay sa enerhiya, ngunit umaabot sa isang napakalaking bilang ng mga energetically malapit na estado, sumunod sa "mga panuntunan ng yelo". Ang zero point entropy ay ang disorder na mananatili kahit na ang materyal ay maaaring palamigin sa absolute zero (0 K=-273.15°C). Bumubuo ng pang-eksperimentong pagkalito para sa hexagonal ice 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Sa teorya, posibleng kalkulahin ang zero entropy ng mga kilalang kristal ng yelo na may higit na katumpakan (pagpapabaya sa mga depekto at pagkalat ng antas ng enerhiya) kaysa sa pagtukoy dito sa eksperimentong paraan.
Bagama't hindi nakaayos ang pagkakasunud-sunod ng mga proton sa bulk ice, malamang na mas gusto ng surface ang pagkakasunud-sunod ng mga particle na ito sa anyo ng mga banda ng nakabitin na H-atom at O-single na pares (zero entropy na may ordered hydrogen bonds). Natagpuan ang zero point disorder ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 at iba pa. Mula sa lahat ng nabanggit, malinaw at nauunawaan kung anong mga uri ng crystal lattice ang katangian ng yelo.
