Триизмерното състояние на течната вода е трудно за изследване, но много се научи чрез анализиране на структурата на ледените кристали. Четири съседни взаимодействащи с водород кислородни атома заемат върховете на тетраедър (тетра=четири, хедър=равнина). Средната енергия, необходима за разрушаване на такава връзка в лед, се оценява на 23 kJ/mol-1.
Способността на водните молекули да образуват определен брой водородни вериги, както и дадена сила, създава необичайно висока точка на топене. Когато се разтопи, се задържа от течна вода, чиято структура е неправилна. Повечето от водородните връзки са изкривени. Необходимо е голямо количество енергия под формата на топлина, за да се счупи кристалната решетка на свързан с водород лед.
Характеристики на появата на лед (Ih)
Много от жителите се чудят какъв вид кристална решетка има ледът. НеобходимоТрябва да се отбележи, че плътността на повечето вещества се увеличава по време на замразяване, когато молекулярните движения се забавят и се образуват плътно опаковани кристали. Плътността на водата също се увеличава, когато се охлажда до максимум при 4°C (277K). След това, когато температурата падне под тази стойност, тя се разширява.
Това увеличение се дължи на образуването на отворен, свързан с водород леден кристал с неговата решетка и по-ниска плътност, в който всяка водна молекула е твърдо свързана с горния елемент и четири други стойности, като същевременно се движи достатъчно бързо, за да имат повече маса. Тъй като това действие се случва, течността замръзва отгоре надолу. Това има важни биологични резултати, в резултат на което слоят лед върху езерото изолира живите същества далеч от екстремни студове. В допълнение, две допълнителни свойства на водата са свързани с нейните водородни характеристики: специфична топлина и изпаряване.
Подробно описание на структурите
Първият критерий е количеството, необходимо за повишаване на температурата на 1 грам вещество с 1°C. Повишаването на градусите на водата изисква относително голямо количество топлина, тъй като всяка молекула участва в множество водородни връзки, които трябва да бъдат разкъсани, за да се увеличи кинетичната енергия. Между другото, изобилието на H2O в клетките и тъканите на всички големи многоклетъчни организми означава, че температурните колебания вътре в клетките са сведени до минимум. Тази характеристика е от решаващо значение, тъй като скоростта на повечето биохимични реакциичувствителен.
Топлината на изпаряване на водата също е значително по-висока от тази на много други течности. За превръщането на това тяло в газ е необходимо голямо количество топлина, тъй като водородните връзки трябва да бъдат прекъснати, за да могат водните молекули да се разместят една от друга и да влязат в споменатата фаза. Променяемите тела са постоянни диполи и могат да взаимодействат с други подобни съединения и такива, които йонизират и се разтварят.
Други вещества, споменати по-горе, могат да влязат в контакт само ако е налице полярност. Именно това съединение участва в структурата на тези елементи. В допълнение, той може да се подравни около тези частици, образувани от електролити, така че отрицателните кислородни атоми на водните молекули да са ориентирани към катионите, а положителните йони и водородните атоми да са ориентирани към анионите.
В твърдите тела, като правило, се образуват молекулярни кристални решетки и атомни. Тоест, ако йодът е изграден по такъв начин, че съдържа I2, , тогава в твърд въглероден диоксид, тоест в сух лед, CO2 молекули са разположени във възлите на кристалната решетка . Когато взаимодейства с подобни вещества, ледът има йонна кристална решетка. Графитът, например, който има атомна структура, базирана на въглерод, не е в състояние да я промени, точно като диаманта.
Какво се случва, когато кристал готварска сол се разтвори във вода: полярните молекули са привлечени от заредените елементи в кристала, което води до образуването на подобни частици натрий и хлорид на повърхността му, което води до тези теласа изместени един от друг и той започва да се разтваря. От тук може да се види, че ледът има кристална решетка с йонна връзка. Всеки разтворен Na + привлича отрицателните краища на няколко водни молекули, докато всеки разтворен Cl - привлича положителните краища. Обвивката, заобикаляща всеки йон, се нарича изпускателна сфера и обикновено съдържа няколко слоя частици разтворител.
кристална решетка от сух лед
Променливите или йонът, заобиколен от елементи, се казва, че са сулфатирани. Когато разтворителят е вода, такива частици се хидратират. По този начин всяка полярна молекула има тенденция да бъде солватирана от елементите на течното тяло. При сухия лед типът на кристалната решетка образува атомни връзки в агрегатно състояние, които са непроменени. Друго нещо е кристален лед (замразена вода). Йонните органични съединения като карбоксилаза и протонирани амини трябва да са разтворими в хидроксилни и карбонилни групи. Частиците, съдържащи се в такива структури, се движат между молекулите и техните полярни системи образуват водородни връзки с това тяло.
Разбира се, броят на последните посочени групи в една молекула влияе върху нейната разтворимост, която също зависи от реакцията на различни структури в елемента: например едно-, дву- и тривъглеродните алкохоли се смесват с вода, но по-големите въглеводороди с единични хидроксилни съединения са много по-малко разредени в течности.
Шестеноъгълен Ih е подобен по форма наатомна кристална решетка. За леда и целия естествен сняг на Земята изглежда точно така. Това се доказва от симетрията на кристалната решетка на леда, отгледана от водни пари (тоест снежинки). Той е в космическа група P 63/mm от 194; D 6h, Laue клас 6/mm; подобно на β-, което има кратна на 6 спираловидна ос (въртене наоколо в допълнение към изместване по нея). Той има доста отворена структура с ниска плътност, където ефективността е ниска (~1/3) в сравнение с прости кубични (~1/2) или лицеви центрирани кубични (~3/4) структури.
В сравнение с обикновения лед, кристалната решетка на сухия лед, свързана с CO2 молекули, е статична и се променя само когато атомите се разпадат.
Описание на решетките и техните елементи
Кристалите могат да се разглеждат като кристални модели, състоящи се от листове, поставени един над друг. Водородната връзка е подредена, докато в действителност е произволна, тъй като протоните могат да се движат между молекули на вода (лед) при температури над около 5 К. Наистина е вероятно протоните да се държат като квантова течност в постоянен тунелен поток. Това се засилва от разсейването на неутроните, което показва тяхната плътност на разсейване по средата между кислородните атоми, което показва локализация и съгласувано движение. Тук има прилика на лед с атомна, молекулярна кристална решетка.
Молекулите имат шахматно подреждане на водородната веригапо отношение на трите му съседи в самолета. Четвъртият елемент има затъмнена водородна връзка. Има леко отклонение от перфектната шестоъгълна симетрия, тъй като елементарната клетка е с 0,3% по-къса в посоката на тази верига. Всички молекули изпитват една и съща молекулярна среда. Във всяка „кутия“има достатъчно място, за да задържи частици интерстициална вода. Въпреки че не се разглеждат като цяло, те наскоро бяха ефективно открити чрез неутронна дифракция на прахообразната кристална решетка на лед.
Промяна на вещества
Хексагоналното тяло има тройни точки с течна и газообразна вода 0,01°C, 612 Pa, твърди елементи - три -21,985°C, 209,9 MPa, единадесет и две -199,8°C, 70 MPa, както и - 34,7°С, 212,9 МРа. Диелектричната константа на хексагоналния лед е 97,5.
Кривата на топене на този елемент е дадена от MPa. Уравненията на състоянието са налични, в допълнение към тях, някои прости неравенства, свързани с промяната на физичните свойства с температурата на хексагоналния лед и неговите водни суспензии. Твърдостта варира с градуси, нарастващи от или под гипса (≦2) при 0°C до фелдшпат (6 Mohs) при -80°C, необичайно голяма промяна в абсолютната твърдост (> 24 пъти).
Хексагоналната кристална решетка на леда образува шестоъгълни плочи и колони, където горната и долната повърхност са базалните равнини {0 0 0 1} с енталпия 5,57 μJ cm -2и други еквивалентни странични части се наричат части от призмата {1 0 -1 0} с 5, 94µJ cm -2. Вторичните повърхности {1 1 -2 0} с 6,90 ΜJ ˣ cm -2 могат да се формират по равнините, образувани от страните на структурите.
Такава структура показва аномално намаляване на топлопроводимостта с увеличаване на налягането (както и кубичен и аморфен лед с ниска плътност), но се различава от повечето кристали. Това се дължи на промяна във водородната връзка, която намалява напречната скорост на звука в кристалната решетка от лед и вода.
Има методи, описващи как да се приготвят големи кристални проби и всяка желана ледена повърхност. Предполага се, че водородната връзка на повърхността на изследваното шестоъгълно тяло ще бъде по-подредена, отколкото вътре в обемната система. Вариационна спектроскопия с генериране на честота на фазова решетка показа, че има структурна асиметрия между двата горни слоя (L1 и L2) в подповърхностната верига на HO на базалната повърхност на хексагоналния лед. Приетите водородни връзки в горните слоеве на шестоъгълниците (L1 O ··· HO L2) са по-силни от тези, приети във втория слой до горното натрупване (L1 OH ··· O L2). Налични са интерактивни шестоъгълни ледени структури.
Функции за развитие
Минималният брой водни молекули, необходими за образуване на лед, е приблизително 275 ± 25, както за пълен икосаедричен клъстер от 280. Образуването става при скорост от 10 10 при интерфейс въздух-вода, а не в насипна вода. Растежът на ледените кристали зависи от различни скорости на растеж на различниенергии. Водата трябва да бъде защитена от замръзване при криоконсервиране на биологични проби, храни и органи.
Това обикновено се постига чрез бързи скорости на охлаждане, използване на малки проби и криоконсерватор и увеличаване на налягането за образуване на лед и предотвратяване на увреждане на клетките. Свободната енергия на лед/течност се увеличава от ~30 mJ/m2 при атмосферно налягане до 40 mJ/m-2 при 200 MPa, което показва причината, поради която възниква този ефект.
Какъв тип кристална решетка е характерна за леда
Алтернативно, те могат да растат по-бързо от повърхности на призма (S2), на произволно нарушена повърхност на бързо замръзнали или развълнувани езера. Растежът от {1 1 -2 0} лица е поне същият, но ги превръща в основи на призма. Данните за развитието на ледения кристал са напълно проучени. Относителните скорости на растеж на елементите от различни лица зависят от способността за образуване на голяма степен на хидратация на ставите. Температурата (ниска) на заобикалящата вода определя степента на разклонение в ледения кристал. Растежът на частиците е ограничен от скоростта на дифузия при ниска степен на преохлаждане, т.е. <2 °C, което води до повече от тях.
Но ограничено от кинетиката на развитие при по-високи нива на депресия от >4°C, което води до растеж на иглата. Тази форма е подобна на структурата на сухия лед (има кристална решетка с шестоъгълна структура), различнихарактеристики на развитието на повърхността и температурата на заобикалящата (преохладена) вода, която е зад плоските форми на снежинките.
Образуването на лед в атмосферата оказва дълбоко влияние върху образуването и свойствата на облаците. Фелдшпатите, открити в пустинния прах, който навлиза в атмосферата в милиони тонове годишно, са важни образуващи. Компютърните симулации показаха, че това се дължи на нуклеацията на призматични равнини на ледени кристали върху високоенергийни повърхностни равнини.
Някои други елементи и решетки
Разтворените вещества (с изключение на много малки хелий и водород, които могат да влязат в междинните пространства) не могат да бъдат включени в структурата на Ih при атмосферно налягане, а се изтласкват на повърхността или аморфния слой между частиците на микрокристално тяло. Има някои други елементи в решетъчните места на сухия лед: хаотропни йони като NH4 + и Cl -, които са включени в по-лекото замразяване на течности в сравнение с други космотропични такива като Na + и SO42-, така че отстраняването им не е възможно поради факта, че образуват тънък филм от останалата течност между кристалите. Това може да доведе до електрическо зареждане на повърхността поради дисоциация на повърхностната вода, балансираща останалите заряди (което също може да доведе до магнитно излъчване) и промяна в pH на остатъчните течни филми, например NH 42SO4 става по-кисел и NaCl става по-основен.
Те са перпендикулярни на лицатакристална решетка от лед, показваща следващия прикрепен слой (с О атоми в черно). Те се характеризират с бавно нарастваща базална повърхност {0 0 0 1}, където са прикрепени само изолирани водни молекули. Бързо растяща {1 0 -1 0} повърхност на призма, където двойки новоприкрепени частици могат да се свързват една с друга с водород (една водородна връзка/две молекули на елемент). Най-бързо растящото лице е {1 1 -2 0} (вторична призматична), където вериги от новоприкрепени частици могат да взаимодействат една с друга чрез водородна връзка. Една от нейните вериги/молекула на елемента е форма, която образува хребети, които разделят и насърчават трансформацията в две страни на призмата.
Ентропия с нулева точка
Може да се дефинира като S 0=k B ˣ Ln (N E0), където k B е константата на Болцман, NE е броят на конфигурациите при енергията E, а E0 е най-ниската енергия. Тази стойност за ентропията на шестоъгълния лед при нула Келвин не нарушава третия закон на термодинамиката "Ентропията на идеален кристал при абсолютна нула е точно нула", тъй като тези елементи и частици не са идеални, имат неуредена водородна връзка.
В това тяло водородната връзка е произволна и бързо се променя. Тези структури не са точно равни по енергия, но се простират до много голям брой енергийно близки състояния, подчиняват се на „правилата на леда“. Ентропията с нулева точка е разстройството, което би останало дори ако материалът може да бъде охладен до абсолютнонула (0 K=-273, 15 ° C). Генерира експериментално объркване за шестоъгълен лед 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Теоретично би било възможно да се изчисли нулевата ентропия на известни ледени кристали с много по-голяма точност (пренебрегвайки дефектите и разпределението на енергийните нива), отколкото да се определи експериментално.
Учените и тяхната работа в тази област
Може да се дефинира като S 0=k B ˣ Ln (N E0), където k B е константата на Болцман, NE е броят на конфигурациите при енергията E, а E0 е най-ниската енергия. Тази стойност за ентропията на шестоъгълния лед при нула Келвин не нарушава третия закон на термодинамиката "Ентропията на идеален кристал при абсолютна нула е точно нула", тъй като тези елементи и частици не са идеални, имат неуредена водородна връзка.
В това тяло водородната връзка е произволна и бързо се променя. Тези структури не са точно равни по енергия, но се простират до много голям брой енергийно близки състояния, подчиняват се на „правилата на леда“. Ентропията на нулевата точка е разстройството, което би останало дори ако материалът може да бъде охладен до абсолютна нула (0 K=-273,15°C). Генерира експериментално объркване за шестоъгълен лед 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Теоретично би било възможно да се изчисли нулевата ентропия на известни ледени кристали с много по-голяма точност (пренебрегвайки дефектите и разпределението на енергийните нива), отколкото да се определи експериментално.
Въпреки че редът на протоните в насипния лед не е подреден, повърхността вероятно предпочита реда на тези частици под формата на ленти от висящи Н-атоми и O-единични двойки (нулева ентропия с подредени водородни връзки). Открива се разстройството на нулевата точка ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 и други. От всичко казано по-горе става ясно и разбираемо какви видове кристални решетки са характерни за леда.
