Tridimenzionalno stanje tekoče vode je težko preučiti, vendar smo se z analizo strukture ledenih kristalov naučili veliko. Štirje sosednji atomi kisika, ki medsebojno delujejo z vodikom, zasedajo oglišča tetraedra (tetra=štiri, hedron=ravnina). Povprečna energija, potrebna za prekinitev takšne vezi v ledu, je ocenjena na 23 kJ/mol-1.
Zmožnost molekul vode, da tvorijo dano število vodikovih verig, pa tudi dana moč, ustvarja nenavadno visoko tališče. Ko se topi, ga zadrži tekoča voda, katere struktura je nepravilna. Večina vodikovih vezi je popačena. Za razbijanje kristalne mreže ledu, vezanega na vodik, je potrebna velika količina energije v obliki toplote.
Značilnosti videza ledu (Ih)
Mnogi prebivalci se sprašujejo, kakšno vrsto kristalne mreže ima led. NujnoOpozoriti je treba, da se gostota večine snovi med zamrzovanjem poveča, ko se molekularna gibanja upočasnijo in nastanejo gosto zloženi kristali. Gostota vode se poveča tudi, ko se ohladi na maksimum pri 4°C (277K). Potem, ko temperatura pade pod to vrednost, se razširi.
To povečanje je posledica tvorbe odprtega, z vodikom vezanega ledenega kristala s svojo mrežo in manjšo gostoto, v katerem je vsaka molekula vode togo vezana na zgornji element in štiri druge vrednosti, hkrati pa se premika dovolj hitro, da imajo večjo maso. Ker se to dejanje zgodi, tekočina zamrzne od zgoraj navzdol. To ima pomembne biološke rezultate, zaradi katerih plast ledu na ribniku izolira živa bitja pred ekstremnim mrazom. Poleg tega sta dve dodatni lastnosti vode povezani z njenimi vodikovimi lastnostmi: specifična toplota in izhlapevanje.
Podroben opis struktur
Prvi kriterij je količina, potrebna za dvig temperature 1 grama snovi za 1°C. Za dvig stopinj vode je potrebna relativno velika količina toplote, ker je vsaka molekula vključena v številne vodikove vezi, ki jih je treba prekiniti, da se kinetična energija poveča. Mimogrede, številčnost H2O v celicah in tkivih vseh velikih večceličnih organizmov pomeni, da so temperaturna nihanja znotraj celic čim manjša. Ta lastnost je ključnega pomena, saj je hitrost večine biokemičnih reakcijobčutljivo.
Toplota izhlapevanja vode je tudi bistveno višja kot pri mnogih drugih tekočinah. Za pretvorbo tega telesa v plin je potrebna velika količina toplote, saj je treba pretrgati vodikove vezi, da se molekule vode med seboj odmaknejo in preidejo v omenjeno fazo. Spremenljiva telesa so trajni dipoli in lahko medsebojno delujejo z drugimi podobnimi spojinami in tistimi, ki ionizirajo in se raztopijo.
Druge zgoraj omenjene snovi lahko pridejo v stik le, če je prisotna polarnost. Prav ta spojina je vključena v strukturo teh elementov. Poleg tega se lahko poravna okoli teh delcev, ki nastanejo iz elektrolitov, tako da so negativni atomi kisika v molekulah vode usmerjeni k kationom, pozitivni ioni in atomi vodika pa so usmerjeni v anione.
V trdnih snoveh praviloma nastajajo molekularne kristalne mreže in atomske. To pomeni, da če je jod zgrajen tako, da vsebuje I2, , potem so v trdnem ogljikovem dioksidu, to je v suhem ledu, CO2 molekule ki se nahajajo na vozliščih kristalne mreže . Pri interakciji s podobnimi snovmi ima led ionsko kristalno mrežo. Grafit, na primer, ki ima atomsko strukturo, ki temelji na ogljiku, je ne more spremeniti, tako kot diamant.
Kaj se zgodi, ko se kristal kuhinjske soli raztopi v vodi: polarne molekule privlačijo nabiti elementi v kristalu, kar vodi do tvorbe podobnih delcev natrija in klorida na njegovi površini, kar povzroči nastanek teh telesse odmaknejo drug od drugega in se začne raztapljati. Od tu je mogoče opaziti, da ima led kristalno mrežo z ionsko vezjo. Vsak raztopljen Na + privlači negativne konce več molekul vode, medtem ko vsak raztopljen Cl - privlači pozitivne konce. Lupina, ki obdaja vsak ion, se imenuje izstopna krogla in običajno vsebuje več plasti delcev topila.
kristalna mreža suhega ledu
Spremenljivke ali ion, obdan z elementi, naj bi bil sulfatiran. Ko je topilo voda, so takšni delci hidrirani. Tako se vsaka polarna molekula nagiba k solvatiranju z elementi tekočega telesa. V suhem ledu tip kristalne mreže tvori atomske vezi v agregacijskem stanju, ki so nespremenjene. Druga stvar je kristalni led (zamrznjena voda). Ionske organske spojine, kot so karboksilaza in protonirani amini, morajo biti topne v hidroksilnih in karbonilnih skupinah. Delci, ki jih vsebujejo takšne strukture, se premikajo med molekulami in njihovi polarni sistemi tvorijo vodikove vezi s tem telesom.
Seveda število zadnjih navedenih skupin v molekuli vpliva na njeno topnost, ki je odvisna tudi od reakcije različnih struktur v elementu: mešajo se na primer eno-, dvo- in triogljikovi alkoholi z vodo, vendar so večji ogljikovodiki z enojnimi hidroksilnimi spojinami veliko manj razredčeni v tekočinah.
Šesterokotni Ih je po obliki podobenatomska kristalna mreža. Za led in ves naravni sneg na Zemlji je videti natanko tako. To dokazuje simetrija kristalne rešetke ledu, ki raste iz vodne pare (to je snežinke). Je v vesoljski skupini P 63/mm od 194; D 6h, razred Laue 6/mm; podobno kot β-, ki ima večkratnik 6 spiralne osi (vrtenje naokoli poleg premika vzdolž nje). Ima dokaj odprto strukturo z nizko gostoto, kjer je učinkovitost nizka (~ 1/3) v primerjavi s preprostimi kubičnimi (~ 1/2) ali obrazno centriranimi kubičnimi (~ 3/4) strukturami.
V primerjavi z navadnim ledom je kristalna mreža suhega ledu, vezana na CO2 molekule, statična in se spreminja samo, ko atomi razpadejo.
Opis rešetk in njihovih elementov
Kristale lahko gledamo kot kristalne modele, sestavljene iz listov, ki so nameščeni drug nad drugim. Vodikova vez je urejena, v resnici pa je naključna, saj se lahko protoni premikajo med molekulami vode (ledu) pri temperaturah nad približno 5 K. Dejansko je verjetno, da se protoni v stalnem tunelskem toku obnašajo kot kvantna tekočina. To je okrepljeno s sipanjem nevtronov, ki kaže njihovo gostoto sipanja na polovici poti med atomi kisika, kar kaže na lokalizacijo in usklajeno gibanje. Tukaj je podobnost ledu z atomsko, molekularno kristalno mrežo.
Molekule imajo zaporedno razporeditev vodikove verigeglede na svoje tri sosede v letalu. Četrti element ima zatemnjeno razporeditev vodikove vezi. Obstaja rahlo odstopanje od popolne heksagonalne simetrije, saj je enotna celica 0,3 % krajša v smeri te verige. Vse molekule doživljajo enako molekularno okolje. Znotraj vsake "škatle" je dovolj prostora, da zadrži delce intersticijske vode. Čeprav se na splošno ne upoštevajo, so jih nedavno učinkovito odkrili z nevtronsko difrakcijo praškaste kristalne mreže ledu.
Spreminjanje snovi
Šesterokotno telo ima trojne točke s tekočo in plinasto vodo 0,01 °C, 612 Pa, trdni elementi - trije -21,985 °C, 209,9 MPa, enajst in dve -199,8 °C, 70 MPa, kot tudi - 34,7 °C, 212,9 MPa. Dielektrična konstanta heksagonalnega ledu je 97,5.
Talilna krivulja tega elementa je podana z MPa. Na voljo so enačbe stanja, poleg njih pa še nekaj preprostih neenakosti, ki povezujejo spremembo fizikalnih lastnosti s temperaturo heksagonalnega ledu in njegovih vodnih suspenzij. Trdota niha s stopnjami, ki se dvigajo od ali pod sadre (≦2) pri 0°C do feldspar (6 Mohs) pri -80°C, nenormalno velika sprememba absolutne trdote (> 24-krat).
Šesterokotna kristalna mreža ledu tvori šesterokotne plošče in stebre, kjer sta zgornja in spodnja ploskev bazalni ravnini {0 0 0 1} z entalpijo 5,57 μJ cm -2in drugi enakovredni stranski deli se imenujejo deli prizme {1 0 -1 0} s 5, 94µJ cm -2. Sekundarne površine {1 1 -2 0} s 6,90 ΜJ ˣ cm -2 se lahko oblikujejo vzdolž ravnin, ki jih tvorijo stranice struktur.
Takšna struktura kaže anomalno zmanjšanje toplotne prevodnosti z naraščajočim tlakom (kot tudi kubični in amorfni led nizke gostote), vendar se razlikuje od večine kristalov. To je posledica spremembe vodikove vezi, ki zmanjša prečno hitrost zvoka v kristalni mreži ledu in vode.
Obstajajo metode, ki opisujejo, kako pripraviti velike kristalne vzorce in poljubno želeno ledeno površino. Predvideva se, da bo vodikova vez na površini preučevanega šesterokotnega telesa bolj urejena kot znotraj sistema v razsutem stanju. Variacijska spektroskopija z generiranjem frekvence fazne mreže je pokazala, da obstaja strukturna asimetrija med obema zgornjima slojema (L1 in L2) v podpovršinski verigi HO bazalne površine heksagonalnega ledu. Prevzete vodikove vezi v zgornjih plasteh šesterokotnikov (L1 O ··· HO L2) so močnejše od tistih, sprejetih v drugi plasti do zgornje akumulacije (L1 OH ··· O L2). Na voljo so interaktivne šesterokotne ledene strukture.
Razvojne funkcije
Najmanjše število vodnih molekul, potrebnih za tvorbo ledu, je približno 275 ± 25, kot za celoten ikosaedrski grozd 280. Tvorba se pojavi s hitrostjo 10 10 pri vmesnik zrak-voda in ne v razsutem stanju. Rast ledenih kristalov je odvisna od različnih stopenj rasti različnihenergije. Pri kriokonzerviranju bioloških vzorcev, hrane in organov mora biti voda zaščitena pred zmrzovanjem.
To se običajno doseže s hitrimi stopnjami hlajenja, z uporabo majhnih vzorcev in kriokonzervatorja ter povečanjem pritiska za nastanek ledu in preprečevanje poškodb celic. Prosta energija ledu/tekočine se poveča s ~30 mJ/m2 pri atmosferskem tlaku na 40 mJ/m-2 pri 200 MPa, kar kaže razlog, zakaj pride do tega učinka.
Katera vrsta kristalne mreže je značilna za led
Druga možnost je, da rastejo hitreje iz površin prizme (S2), na naključno motenih površinah hitro zmrznjenih ali vznemirjenih jezer. Rast s strani {1 1 -2 0} je vsaj enaka, vendar jih spremeni v osnove prizme. Podatki o razvoju ledenega kristala so bili v celoti raziskani. Relativna stopnja rasti elementov različnih obrazov je odvisna od sposobnosti tvorbe velike stopnje hidracije sklepov. Temperatura (nizka) okoliške vode določa stopnjo razvejanosti ledenega kristala. Rast delcev je omejena s hitrostjo difuzije pri nizki stopnji prehlajenja, to je <2 °C, zaradi česar jih je več.
Vendar omejena s kinetiko razvoja pri višjih ravneh depresije >4°C, kar ima za posledico rast iglic. Ta oblika je podobna strukturi suhega ledu (ima kristalno mrežo s šesterokotno strukturo), različneznačilnosti razvoja površin in temperature okoliške (prehlajene) vode, ki je za ravnimi oblikami snežink.
Nastajanje ledu v ozračju močno vpliva na nastanek in lastnosti oblakov. Feldspars, ki jih najdemo v puščavskem prahu, ki pride v ozračje v milijonih ton na leto, so pomembni tvorci. Računalniške simulacije so pokazale, da je to posledica nukleacije prizmatskih ravnin ledenih kristalov na visokoenergetskih površinskih ravninah.
Nekateri drugi elementi in rešetke
Raztopljene snovi (z izjemo zelo majhnega helija in vodika, ki lahko vstopata v vmesne prostore) se pri atmosferskem tlaku ne morejo vključiti v strukturo Ih, ampak so iztisnjene na površino ali amorfno plast med delci mikrokristalno telo. Na mrežnih mestih suhega ledu so še nekateri drugi elementi: kaotropni ioni, kot so NH4 + in Cl -, ki so vključeni v lažje zamrzovanje tekočin kot druge kosmotropične, kot so Na + in SO42-, zato jih ni mogoče odstraniti, ker med kristali tvorijo tanek film preostale tekočine. To lahko privede do električnega polnjenja površine zaradi disociacije površinske vode, ki uravnoteži preostale naboje (kar lahko povzroči tudi magnetno sevanje) in spremembe pH preostalih tekočih filmov, npr. NH 42SO4 postane bolj kislo in NaCl postane bolj bazičen.
So pravokotni na obrazekristalna mreža ledu, ki prikazuje naslednjo pritrjeno plast (z atomi O v črni barvi). Zanje je značilna počasi rastoča bazalna površina {0 0 0 1}, kjer so pritrjene samo izolirane molekule vode. Hitro rastoča {1 0 -1 0} površina prizme, kjer se lahko pari na novo vezanih delcev med seboj vežejo z vodikom (ena vodikova vez/dve molekuli elementa). Najhitreje rastoči obraz je {1 1 -2 0} (sekundarna prizmatična), kjer lahko verige na novo vezanih delcev medsebojno delujejo z vodikovimi vezmi. Ena od njenih verig/molekule elementa je oblika, ki tvori grebene, ki delijo in spodbujajo preoblikovanje v dve strani prizme.
entropija nič
Lahko definiramo kot S 0=k B ˣ Ln (N E0), kjer je k B Boltzmannova konstanta, NE je število konfiguracij pri energiji E, E0 pa je najnižja energija. Ta vrednost za entropijo heksagonalnega ledu pri nič Kelvina ne krši tretjega zakona termodinamike "Entropija idealnega kristala pri absolutni ničli je natanko nič", ker ti elementi in delci niso idealni, imajo neurejeno vodikovo vez.
V tem telesu je vodikova vez naključna in se hitro spreminja. Te strukture niso ravno enake po energiji, ampak segajo v zelo veliko število energijsko blizu stanj, spoštujejo "pravila ledu". Entropija ničelne točke je motnja, ki bi ostala, tudi če bi se material lahko ohladil na absolutnonič (0 K=-273, 15 ° C). Ustvari eksperimentalno zmedo za heksagonalni led 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Teoretično bi bilo mogoče izračunati ničelno entropijo znanih ledenih kristalov z veliko večjo natančnostjo (neupoštevajoč napake in širjenje energijske ravni) kot pa jo določiti eksperimentalno.
Znanstveniki in njihovo delo na tem področju
Lahko definiramo kot S 0=k B ˣ Ln (N E0), kjer je k B Boltzmannova konstanta, NE je število konfiguracij pri energiji E, E0 pa je najnižja energija. Ta vrednost za entropijo heksagonalnega ledu pri nič Kelvina ne krši tretjega zakona termodinamike "Entropija idealnega kristala pri absolutni ničli je natanko nič", ker ti elementi in delci niso idealni, imajo neurejeno vodikovo vez.
V tem telesu je vodikova vez naključna in se hitro spreminja. Te strukture niso ravno enake po energiji, ampak segajo v zelo veliko število energijsko blizu stanj, spoštujejo "pravila ledu". Entropija ničelne točke je motnja, ki bi ostala tudi, če bi material lahko ohladili na absolutno nič (0 K=-273,15°C). Ustvari eksperimentalno zmedo za heksagonalni led 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Teoretično bi bilo mogoče izračunati ničelno entropijo znanih ledenih kristalov z veliko večjo natančnostjo (neupoštevajoč napake in širjenje energijske ravni) kot pa jo določiti eksperimentalno.
Čeprav vrstni red protonov v razsutem ledu ni urejen, površina verjetno daje prednost vrstnemu redu teh delcev v obliki pasov visečih H-atomov in O-enojnih parov (nič entropije z urejenimi vodikovimi vezmi). Ugotovljena je motnja ničelne točke ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 in druge. Iz vsega naštetega je jasno in razumljivo, katere vrste kristalnih rešetk so značilne za led.
