Kristalna rešetka od leda i vode

Trodimenzijsko stanje tekuće vode teško je istražiti, ali mnogo se proučavalo analizom strukture ledenih kristala. Četiri susjedna kisikova atoma s vodikovom interakcijom zauzimaju vrhove tetraedara (tetra = četiri, hidron = ravnina). Prosječna energija potrebna za uništavanje takve veze u ledu procjenjuje se na 23 kJ / mol^-1

Sposobnost molekula vode da formiraju određeni broj vodikovih lanaca, a ova snaga stvara neuobičajeno visoku točku taljenja. Kada se topi, zadržava se tekuća voda čija je struktura nepravilna. Većina vodikovih veza je iskrivljena. Za uništenje kristalne rešetke leda vodikovom vezom zahtijeva veliku masu energije u obliku topline.

Značajke izgleda leda (Ih)

Mnogi se stanovnici pita o kristalnoj rešetki leda. Treba napomenuti da se gustoća većine tvari povećava zamrzavanjem, kada se molekularni pokreti usporavaju i nastaju gusto nabijeni kristali. Gustoća vode se također povećava kada se hladi do maksimuma na 4 ° C (277K). Zatim, kada temperatura padne ispod ove vrijednosti, ona se širi.

Ovo povećanje je zbog stvaranja vodika vezan otvoren led kristalne rešetke s niže gustoće, u kojoj svaka molekula vode je čvrsto spojen s gore elementa i druga četiri vrijednosti, i tako pomiče dovoljno brzo da imaju veću masu. Budući da se to dogodi, tekućina se smrzava s vrha prema dolje. To ima važne biološke rezultate, zbog čega sloj leda na ribnjaku izolira živa bića daleko od teške hladnoće. Dodatno, dva dodatna svojstva vode povezana su s njegovim karakteristikama vodika: specifičnom toplinom i isparavanjem.

Detaljan opis struktura

Prvi kriterij je količina koja je potrebna za podizanje temperature od 1 g supstance za 1 ° C. Da bi se povećao stupanj vode, potreban je relativno velik udio toplote jer svaka molekula sudjeluje u brojnim vodikovim vezama, koja se mora uništiti tako da se povećava kinetička energija. Usput, obilje H₂O u stanicama i tkivima svih velikih višestaničnih organizama znači da je fluktuacija temperature unutar stanice minimizirana. Ova je značajka presudna jer je brzina većine biokemijskih reakcija osjetljiva.

Toplina isparavanja vode također je značajno veća nego u mnogim drugim tekućinama. Za pretvaranje ovo tijelo u plin velika količina topline potrebna jer su vodikove veze moraju biti razbijena na molekule vode mogu biti razmještene jedni od drugih i ući u spomenute faze. Modificirajuća tijela su trajni dipoli i mogu komunicirati s drugim sličnim spojevima i onima koji se ioniziraju i otapaju.

Druge gore spomenute tvari mogu doći u kontakt samo u prisutnosti polariteta. To je ta veza koja sudjeluje u strukturi tih elemenata. Nadalje, može se uskladiti oko tih čestica proizvedenih od elektrolita, tako da se negativni atomi kisika iz molekule vode usmjerenim kationa i pozitivnih iona i vodikovih atoma, orijentiran na aniona.

U krutine U pravilu se formiraju molekularne kristalne rešetke i atomske rešetke. To jest, ako je jod konstruiran na takav način da sadrži I₂ zatim u čvrstom ugljičnom dioksidu, tj. u suhom ledu, rešetke sadrže molekule CO₂. Kod interakcije s sličnim tvarima ionska kristalna rešetka ima led. Grafit, na primjer, ima atomsku strukturu koja se temelji na ugljiku, nije sposobna mijenjati ga, baš kao dijamant.

Što se događa kada kuhinjska sol kristal otopi u vodi: polarne molekule privlače nabijenih elemenata u kristalu, što je rezultiralo u formiranju takvih čestica i natrijeva klorida na svojoj površini, što je rezultat ovih organa dislociran od drugoga, i počinje da se otopi. Stoga se može primijetiti da led ima kristalnu rešetku s ionskom vezom. Svaki otopljeni Na + privlači negativne krajeve nekoliko vodenih molekula, dok svaki otopljeni Cl - privlači pozitivne svrhe. Školjka koja okružuje svaki ion naziva se sferom spasenja i obično sadrži nekoliko slojeva čestica otapala.

Kristalna rešetka suhog leda

Kaže se da su varijable ili ion koji su okruženi elementima sulfatirani. Kada je otapalo voda, takve se čestice hidratiziraju. Dakle, bilo koja polarna molekula ima tendenciju da bude solvatirana elementima tekućeg tijela. U suhom ledu, vrsta kristalne rešetke tvori atomske veze u agregatnom stanju, koje su nepromijenjene. Druga stvar je kristalni led (smrznuta voda). Ionski organski spojevi, kao što su karboksilaze i protonirani amini, moraju imati topivost u hidroksilnim i karbonilnim skupinama. Čestice sadržane u takvim strukturama kreću se između molekula, a njihovi polarni sustavi tvore vodikove veze s tim tijelom.

Naravno, broj posljednjih navedenih skupina u molekuli utječe na njegovu topljivost, što također ovisi o reakciji različitih struktura u elementu: na primjer, jedan, dva i tri atoma alkoholi se miješaju s vodom, a veće ugljikovodika sa jednom hidroksi spojeva u mnogo manje razređenja tekućina.

Heksagonalni Ih sličan je formi atomske kristalne rešetke. Na ledu i prirodnom snijegu na Zemlji izgleda ovako. To se očituje simetrijom kristalne rešetke leda, uzgojene iz vodene pare (to jest, pahuljice). Smještena u prostornoj skupini P 63 / mm od 194 do D 6h, Laue klasa 6 / mm-slična beta - s višestrukom osi s 6 vijaka (okretanje okolo uz pomak uzduž). To je relativno otvorenu strukturu s niskom gustoćom gdje nizak performanse (~ 3.1) u usporedbi s jednostavnim kubični (~ 1/2) ili licem-centrirana kubična (~ 3/4) strukture.

U usporedbi s konvencionalnim ledom, kristalna rešetka suhog leda vezana molekulama CO₂, je statičan i mijenja se samo kada se raspadaju atomi.

Opis rešetki i njihovih elemenata

Kristali se mogu smatrati kristalnim modelima koji se sastoje od plašta postavljenih jedan iznad drugog. Vodik veza naređeno, a u stvarnosti je slučajan od protoni mogu kretati između molekula vode (led) na temperaturama višim od oko 5 K. U stvari, moguće je da se ponašaju kao protoni kvantni tekućina u konstantnoj tunneled struji. Ova poboljšana raspršenja neutrona pokazuje gustoću raspršenja na pola puta između atoma kisika, što upućuje na lokalizaciju i koordinirano kretanje. Ovdje se opaža sličnost leda s atomskom, molekularnom kristalnom rešetkom.

Molekule imaju postupno raspoređivanje vodikovog lanca s obzirom na tri susjeda u ravnini. Četvrti element ima pomaknut položaj vodikove veze. Postoji lagano odstupanje od idealne šesterokutne simetrije, jer je jedinica ćelija kraća od 0,3% u smjeru ovog lanca. Sve molekule podliježu istim molekularnim medijima. Unutar svake "kutije" ima dovoljno prostora za čuvanje intersticijskih čestica vode. Iako se to obično ne uzima u obzir, nedavno su učinkovito detektirane neutronskom difrakcijom s praškastom kristalnom rešetkom leda.

Promjena tvari

Šesterokutni tijelo ima trostruku točku s tekućem i plinovitom vode 0,01 ° C, 612 Pa, kruti dijelovi - tri -21,985 ° C, 209,9 MPa i jedanaest dva -199,8 ° C, 70 MPa i -34 , 7 ° C, 212,9 MPa. Dielektrična konstanta heksagonalnog leda je 97,5.

Krivulju taljenja ovog elementa daje MPa. Dostupne su jednadžbe stanja, osim njih neke jednostavne nejednakosti koje povezuju promjenu fizikalnih svojstava s temperaturom heksagonalnog leda i njegovim vodenim suspenzijama. Tvrdoća varira ovisno o stupnjevima povećanja približno od ili ispod gipsa (le-2) na 0 ° C, do razine feldspala (6 po skala od Mohs) na -80 ° C, abnormalno velika promjena apsolutne tvrdoće (> 24 puta).

Šesterokutni kristalna rešetka šesterokutnog oblika ploča leda i stupaca, pri čemu su gornji i donji bazalnim ravnine u aspektima su {0 0 0 1} sa entalpija 5,57 UJ middot- cm ^-2, i ostali ekvivalentni bočni dijelovi nazivaju se dijelovi prizme {1 0 -1 0} s 5,94 μJ middot- cm ^-2. Sekundarne površine {1 1 -2 0} od 6,90 mu-J cm ^-2 mogu se oblikovati na ravninama oblikovanim sa strane strukture.

Slična struktura pokazuje anomalno smanjenje toplinske vodljivosti s povećanim tlakom (poput kubičnog i amorfnog leda male gustoće), ali se razlikuje od većine kristala. To je zbog promjene u vodikovoj vezi, što smanjuje poprečnu brzinu zvuka u kristalnoj rešetki leda i vode.

Postoje metode koje opisuju kako pripremiti velike uzorke kristala i željenu površinu leda. Pretpostavlja se da će vodikova veza na površini heksagonalnog tijela koje se ispituje naručila više nego unutar rasutog sustava. Varijacija spektroskopija generiranje oscilacijske frekvencije s fazom trljanja pokazala da postoji strukturna asimetrija između dva gornja sloja (L1 i L2) ispod površine u HO lanca bazalne površine šesterokutne leda. Prihvaćene vodikove veze u gornjim slojevima heksagona (L1 O middot-middot-middot-HO L2) je jači od onih uzeti u drugom sloju do gornje akumulacije (L1 OH middot-middot-middot-O L2). Dostupne su interaktivne strukture heksagonalnog leda.

Značajke razvoja

Minimalni broj vodenih molekula potrebnih za nukleaciju leda je približno 275 ± 25, kao i za cjelokupni icozaedarski klaster 280. Oblikovanje se odvija uz koeficijent od 10 ¹⁰ na sučelju zraka i vode, a ne u rasutom stanju. Rast kristala leda ovisi o različitim stopama rasta različitih energija. Vodu treba zaštititi od smrzavanja kada biološke uzorke krio konzerviranje, hranu i organe.

Obično se to postiže brzim brzinama hlađenja, korištenjem malih uzoraka i konzervativnim krio, i povećanjem pritiska za stvaranje ledenih zametaka i sprečavanju oštećenja stanica. Slobodna energija leda / tekućine povećava se od ~ 30 mJ / m² pri atmosferskom tlaku do 40 mJ / m^-2 na 200 MPa, što ukazuje na razlog sličnog učinka.

Koju vrstu kristalne rešetke karakterizira led

Alternativno, oni mogu rasti brže od površina prizme (S2), na slučajno poremećenoj površini brzo smrznutih ili agitiranih jezera. Rast s lica {1 1 -2 0} je barem ista, ali ih pretvara u bazu prizma. Podaci o razvitku ledenog kristala potpuno su ispitani. Relativne stope rasta elemenata različitih lica ovise o sposobnosti stvaranja većeg stupnja zajedničke hidratacije. Temperatura (niska) okolne vode određuje stupanj razgraničenja u kristalu leda. Rast čestica je ograničen brzinom difuzije pri niskom stupnju super-hlađenja, tj. <2 ° C, što dovodi do više od njih.

No ograničena je kinetikom razvoja na višim razinama spuštanja> 4 ° C, što dovodi do rasta igle. Ovaj oblik je slična strukturi suhog leda (s heksagonalne kristalnu strukturu), različite karakteristike površine i temperatura okoline (supercooled) vode, što je iza ravne oblika pahuljica.

Nukleacija leda u atmosferi duboko utječe na stvaranje i svojstva oblaka. Feldspar, pronađen u pustinjskoj prašini, koji ulazi u atmosferu milijunima tona godišnje, važni su odgojitelji. Računalno modeliranje je pokazalo da je to zbog nukleacija planova prizmatičnih kristala leda na ravninama visoke energetske površine.

Neki drugi elementi i rešetke

Otopljene tvari (izuzev vrlo mali helij i vodika, koji se mogu ugraditi u međuprostorima) ne mogu biti uključeni u strukturi Ih na atmosferskom tlaku, a pomaknut na površinu amorfnog ili mikrokristalne sloj između čestica tijela. Suha ledena rešetki neki drugi elementi: Kaotropičm ioni koje, kao što je NH₄ ⁺ i Cl ^-, koji su uključeni u lakše zamrzavanje tekućine od drugih kosmotropskih, kao što je Na ⁺ i SO₄^2-, tako da ih ne mogu ukloniti jer formiraju tanki film preostale tekućine između kristala. To može dovesti do električnog punjenja površinu zbog disocijacije preostale površine vode suprotnog naboja (koji se također može dovesti do magnetskog zračenja) i promjene u pH preostale tekućine filmova, npr NH ₄²SO₄ postaje kiselom i NaCl postaje alkalnija.

Oni su okomiti na lice kristalne rešetke leda koje prikazuju priloženi sljedeći sloj (s O-crnim atomima). Karakterizira ga polagano rastuća bazna površina {0 0 0 1}, pri čemu su pričvršćene samo izolirane molekule vode. Brzo rastuća površina prizme (1 0 -1 0), pri čemu parovi novo vezanih čestica mogu međusobno komunicirati vodikom (jednom od njegovih veza / dvije molekule elementa). Najbrže raste lice {1 1 -2 0} (sekundarni prizmatični), gdje lanci novo vezanih čestica mogu međusobno djelovati vodikovom vezom. Jedan od lanca / molekule elementa je forma koja formira grebene, koji dijele i potiču transformaciju na dvije strane prizma.

Entropija nulte točke

Može se definirati kao S ₀ = k _B ˣ Ln (N _E0), gdje je k B konstantna Boltzmann, N_E- etochislo konfiguracije s energijom E, kao E0 - najniže energije. Ova vrijednost za entropije šesterokutna leda na nula Kelvina ne krši zakon trećina termodinamike „entropija savršenog kristala na apsolutnoj nuli točno nula”, jer ti elementi nisu idealni, a čestice su neuredni vodikova veza.

U ovom tijelu vodikova veza je slučajna i brzo se mijenja. Ove strukture nisu baš jednake u energiji, već se protežu na vrlo veliki broj energetski bliskih država, pokoravaju se "lednim pravilima". Entropija nula točaka je nered koji će ostati, čak i ako se materijal može ohladiti do apsolutne nule (0 K = -273.15 ° C). To uzrokuje eksperimentalnu konfuziju za heksagonalno led 3,41 (± 0,2) mol ^-1 ˣK ^-1. Teoretski, moglo bi se izračunati nula entropija poznati kristali leda s mnogo većom preciznošću (zanemarujući nedostatke i širenja razine energije) nego da ga se utvrdilo eksperimentalno.

Znanstvenici i njihova djela na ovom području

Može se definirati kao S ₀ = k _B ˣ Ln (N _E0), gdje je k B konstantna Boltzmann, N_E- etochislo konfiguracije s energijom E, kao E0 - najniže energije. Ova vrijednost za entropije šesterokutna leda na nula Kelvina ne krši zakon trećina termodinamike „entropija savršenog kristala na apsolutnoj nuli točno nula”, jer ti elementi nisu idealni, a čestice su neuredni vodikova veza.

U ovom tijelu vodikova veza je slučajna i brzo se mijenja. Ove strukture nisu baš jednake u energiji, već se protežu na vrlo veliki broj energetski bliskih država, pokoravaju se "lednim pravilima". Entropija nula točaka je nered koji će ostati, čak i ako se materijal može ohladiti do apsolutne nule (0 K = -273.15 ° C). To uzrokuje eksperimentalnu konfuziju za heksagonalno led 3,41 (± 0,2) mol ^-1 ˣK ^-1. Teoretski, moglo bi se izračunati nula entropija poznati kristali leda s mnogo većom preciznošću (zanemarujući nedostatke i širenja razine energije) nego da ga se utvrdilo eksperimentalno.

Iako redoslijed protona u ledenoj masi nije odredio, površina vjerojatno poželjni postupak navedene čestice u obliku traka vješanje H i O atoma, pojedinačne parove (nula entropije naručene vodikovih veza). Poremećaj nulte točke ZPE, J-mol ^-1 ˣK ^-1 i drugima. Iz svega navedenog jasno je i jasno koje su vrste kristalnih rešetki karakteristične za led.