Kristalna mreža ledu in vode

Tridimenzionalno stanje tekoče vode je težko raziskati, a veliko je bilo raziskano z analizo strukture ledenih kristalov. Štiri sosednje kisikove atome z vodikovim interakcijo zasedejo tocke tetraedrona (tetra = štiri, hidron = ravnina). Povprečna energija, potrebna za uničenje take vezi v ledu, je ocenjena na 23 kJ / mol^-1

Sposobnost molekul vode, da tvorijo določeno število vodikovih verig, in tudi ta moč ustvarja nenavadno visoko tališče. Ko se topi, se ohrani s tekočo vodo, katere struktura je nepravilna. Večina vodikovih vezi se izkrivlja. Za uničenje kristalne rešetke ledu z vodikovo vezjo je potrebna velika masa energije v obliki toplote.

Značilnosti videza ledu (Ih)

Mnogi mestec se sprašujejo o kristalni rešetki ledu. Treba je opozoriti, da se gostota večine snovi poveča z zmrzovanjem, ko se molekularna gibanja upočasnijo in nastajajo gosto zapakirani kristali. Gostota vode se poveča tudi, ko se ohladi na največ 4 ° C (277K). Potem, ko temperatura pade pod to vrednost, se širi.

To povečanje je posledica tvorbe-vodikovega vezana odprt ledeno kristalni mreži in nizke gostote, v katerem je vsaka molekula vode togo povezan z zgornjim elementom in ostalih štirih vrednosti, in s tem premika dovolj hitro, da imajo večjo maso. Ker se to zgodi, tekočina zamrzne od zgoraj navzdol. To ima pomembne biološke rezultate, zaradi katerih plast ledu na ribniku izolira živa bitja od hude prehlade. Poleg tega sta še dve dodatni lastnosti vode povezani z njegovimi karakteristikami vodika: specifično toploto in izhlapevanje.

Podroben opis struktur

Prvo merilo je količina, potrebna za dvig temperature 1 grama snovi za 1 ° C. Za povečanje stopenj vode je potreben relativno velik delež toplote, ker vsaka molekula sodeluje v številnih vodikih vezeh, ki jih je treba uničiti, tako da se kinetična energija poveča. Mimogrede, obilje H₂O v celicah in tkivih vseh velikih večceličnih organizmov pomeni, da je temperaturno nihanje znotraj celic čim manjše. Ta funkcija je ključna, saj je hitrost večine biokemičnih reakcij občutljiva.

Toplota izparevanja vode je prav tako bistveno višja kot pri mnogih drugih tekočinah. Za pretvorbo tega telesa v plin je potrebna velika količina toplote, saj je treba vodikove vezi uničiti, tako da se molekule vode lahko odstranijo drug od drugega in vstopijo v navedeno fazo. Spremembe telesa so stalni dipoli in lahko komunicirajo z drugimi podobnimi spojinami in tistimi, ki se ionizirajo in raztopijo.

Druge omenjene snovi lahko pridejo v stik le ob prisotnosti polarnosti. Ta povezava sodeluje pri strukturi teh elementov. Poleg tega se lahko poravna okoli teh delcev, ki so nastali iz elektrolitov, tako da so negativni kisikovi atomi molekul vode usmerjeni proti kationom, pozitivni ioni in atomi vodika pa so usmerjeni na anione.

V Ljubljani trdne snovi Praviloma se oblikujejo molekularne kristalne rešetke in atomske rešetke. To pomeni, da je jod zgrajen tako, da vsebuje I_2, potem v trdnem ogljikovem dioksidu, to je v suhem ledu, rešetkasta mesta vsebujejo molekule CO₂. Med delovanjem s podobnimi snovmi ima ionska kristalna mreža led. Grafit, na primer, ki ima atomsko strukturo, ki temelji na ogljiku, ne more spremeniti, tako kot diamant.

Kaj se zgodi, ko se kristali tabela sol raztopimo v vodi: polarne molekule privlači nabitih elementov v kristalu, kar rezultira v tvorbi takšnih delcev, in natrijevega klorida na svoji površini, ki so posledica teh organov dislocirano drug od drugega in se začne raztapljati. Zato lahko opazimo, da ima led kristalno mrežo z ionsko vezjo. Vsaka raztopljena Na + privlači negativne konce več molekul vode, medtem ko vsak raztopljeni Cl - privlači pozitivne konce. Lučka, ki obkroža vsak ion, se imenuje krogla odrešenja in ponavadi vsebuje več plasti delcev topil.

Kristalna mreža suhega ledu

Rečeno je, da so spremenljivke ali ion, obdan z elementi, sulfatirani. Ko je topilo voda, se ti delci hidrirajo. Tako vsaka polarna molekula običajno solvati s pomočjo elementov tekočega telesa. V suhem ledu tip kristalne rešetke tvori atomske vezi v agregatnem stanju, ki so nespremenjene. Druga stvar je kristalni led (zamrznjena voda). Jonske organske spojine, kot so karboksilaze in protonirani amini, morajo imeti topnost v hidroksilnih in karbonilnih skupinah. Delci v takšnih strukturah se gibljejo med molekulami, njihovi polarni sistemi pa s tem telesom tvorijo vodikove vezi.

Seveda pa je število zadnjih omenjenih skupin v molekuli vpliva na njegovo topnost, ki je odvisna tudi od presnovo različnih struktur elementa: na primer, ena, dva in tri ogljikove alkohole, ki se mešajo z vodo, vendar Večje ogljikovodiki z ločenima hidroksilne spojine v veliko manj razredčljivosti tekočina.

Šestkotni Ih je podoben obliku atomske kristalne rešetke. Na ledu in naravnem snegu na Zemlji je videti tako. To potrjuje simetrija kristalne rešetke ledu, vzgojenega iz vodne pare (to je snežinke). Nahaja se v vesoljski skupini P 63 / mm od 194-D 6h, Laue razreda 6 / mm-podobno beta-- z večkratno 6-vijačno osjo (vrtenje okoli poleg premika vzdolž njega). Ima precej odprto strukturo z nizko gostoto, kjer je učinkovitost nizka (~ 1/3) v primerjavi s preprostimi kubičnimi (~ 1/2) ali obraznimi kubičnimi (~ 3/4) strukturami.

V primerjavi z običajnim ledom se kristalna mreža suhega ledu, ki jo vežejo molekule CO₂, je statičen in se spreminja le, če se atomi propadejo.

Opis rešetk in njihovih elementov

Kristale lahko štejemo za kristalne modele, ki so sestavljene iz listov, razporejenih ena nad drugo. Vez vodika se naloži v resnici pa je naključno saj lahko protoni premikanje med molekulami vode (led) pri temperaturah nad okoli 5 K. Dejansko je verjetno, da so protoni obnašajo kot kvantni tekočino v stalnem tuneliranih toku. To okrepljeno sipanje nevtronov, ki prikazujejo gostoto sipanje na pol poti med atomi kisika, kar kaže, lokalizacije in usklajeno gibanje. Tukaj opazimo podobnost ledu z atomsko, molekularno kristalno mrežo.

Molekule imajo stopenjsko razporeditev vodikove verige glede na svoje tri sosede v ravnini. Četrti element ima zasenčeno lokacijo vodikove vezi. Majhno odstopanje od idealne heksagonalne simetrije je majhno, saj je celična celica v smeri te verige 0,3% krajša. Vse molekule so podvržene istim molekulskim medijem. V vsaki "škatli" je dovolj prostora za vodenje intersticijskih delcev vode. Čeprav to na splošno ni upoštevano, so jih nedavno učinkovito zaznavali z nevtronsko difrakcijo s kristalno mrežo ledu v prahu.

Sprememba snovi

Šesterokotna telo ima trojne točke s tekočimi in plinskimi vode 0,01 ° C, 612 Pa, trdni elementi - tri -21,985 ° C, 209,9 MPa, in enajst dva -199,8 ° C, 70 MPa in -34 , 7 ° C, 212,9 MPa. Dielektrična konstanta heksagonalnega ledu je 97,5.

Krivuljo taljenja tega elementa daje MPa. Na voljo so enačbe stanja, z izjemo nekaj preprostih neenakosti, ki povezujejo spremembo fizikalnih lastnosti s temperaturo heksagonalnega ledu in njegovimi vodnimi suspenzijami. Trdota se razlikuje glede na stopinje, ki se povečajo približno od mavca (le-2) ali pod njo pri 0 ° C, do nivoja feldspar (6 s obseg Mohs) pri -80 ° C, nenormalno velika sprememba absolutne trdote (> 24-krat).

Šestkotna kristalna mreža ledu tvori šesterokotne plošče in stebre, kjer sta zgornja in spodnja ploskev bazalna ravnina {0 0 0 1} z enthalpi 5.57 μJ middot-cm ^-2, in drugi ekvivalentni laterali se imenujejo deli prizme {1 0 -1 0} s 5,94 μJ middot-cm ^-2. Sekundarne površine {1 1 -2 0} od 6,90 mu-J ˣ cm ^-2 se lahko oblikujejo na ravninah, ki jih tvorijo strani konstrukcij.

Podobna struktura kaže nepravilno zmanjšanje toplotne prevodnosti s povečanim tlakom (kot kubični in amorfni led z nizko gostoto), vendar se razlikuje od večine kristalov. To je posledica spremembe vodikovih vezi, ki zmanjšuje prečno hitrost zvokov v kristalni mreži ledu in vode.

Obstajajo metode, ki opisujejo, kako pripraviti velike kristalne vzorce in želeno površino ledu. Predpostavlja se, da bo vodikova vez na površini šestkotnega telesa, ki se preučuje, bolj naročena kot znotraj sistema v razsutem stanju. Različica spektroskopija generiranje frekvence nihanja s fazo mrežica pokazale, da je strukturna asimetrija med zgornji sloj (L1 in L2) pod površino HO verige bazalni površini šestkotne ledu. Sprejete vodikove vezi v zgornjih plasteh šesterokotnikov (L1 O middot-middot-middot-HO L2) je močnejša od tistih, ki so v drugem sloju vzeta v zgornjo kopičenje (L1 OH middot-middot-middot-O L2). Na voljo so interaktivne strukture šesterokotnega ledu.

Značilnosti razvoja

Najmanjše število molekul vode, potrebne za nukleacijo ledu, znaša približno 275 ± 25, kar velja za celoten ikošedenski klaster 280. Formacija poteka s koeficientom 10 ¹⁰ na vmesniku za vodo in vodo, ne pa v razsutem stanju. Rast ledenih kristalov je odvisna od različnih stopenj rasti različnih energij. Voda je treba zaščititi pred zmrzovanjem, kadar cryo konzerviranje bioloških vzorcev, hrane in organov.

Običajno se to doseže s hitro hitrostjo hlajenja, z uporabo majhnih vzorcev in konzervativnega cryo, s povečanjem tlaka za oblikovanje ledenih zarodkov in preprečevanje poškodb celic. Brezplačna energija ledu / tekočine se poveča od ~ 30 mJ / m² pri atmosferskem tlaku do 40 mJ / m^-2 pri 200 MPa, kar nakazuje vzrok za podoben učinek.

Katera vrsta kristalne rešetke je značilna za led

Alternativno lahko rastejo hitreje od površin prizme (S2), na nenamerno moteni površini hitro zamrznjenih ali razburjenih jezer. Rast iz obrazov {1 1 -2 0} je vsaj enaka, vendar jih spremeni v osnove prizme. Podatki o razvoju ledenega kristala so bili popolnoma raziskani. Relativne stopnje rasti elementov različnih obrazov so odvisne od zmožnosti oblikovanja večje stopnje skupne hidracije. Temperatura (nizka) okolne vode določa stopnjo razvejanja v ledenem kristalu. Rast delcev je omejena s stopnjo difuzije pri nizki stopnji nadhladitve, to je <2 ° C, kar vodi k večjemu številu.

Vendar je omejena s kinetiko razvoja pri višjih ravneh zniževanja stopinj> 4 ° C, kar vodi v rast igle. Ta oblika je podobna strukturi suhega ledu (ima kristalno mrežo s heksagonalno strukturo), različne lastnosti površinskega razvoja in temperaturo okoliške (preohlađene) vode, ki je za ploskimi oblikami snežin.

Nukleacija ledu v ozračju globoko vpliva na nastanek in lastnosti oblakov. Feldspar, ki ga najdemo v puščavskem prahu, ki vstopi v ozračje milijone ton na leto, so pomembni vzgojitelji. Računalniško modeliranje je pokazalo, da je to posledica nukleacije ploskev prizmatičnih ledenih kristalov na ravninah visoke energetske površine.

Nekateri drugi elementi in rešetke

Raztopljene snovi (razen zelo majhnega helija in vodika, ki se lahko vgradijo v vmesnih prostorih) ne morejo biti vključeni v strukturi Ih pri atmosferskem tlaku, vendar razporejene na površini amorfne ali mikrokristalne plasti med delci telesa. V suhi led predalčni mesta so nekateri drugi elementi: kaotropne ioni, kot NH₄ ⁺ in Cl ^-, ki so vključeni v lažje zamrzovanje tekočine kot drugi kosmotropic, kot na primer Na ⁺ in SO₄^2-, zato jih ni mogoče odstraniti, ker tvorijo tanek film preostale tekočine med kristali. To lahko privede do električnega naboja površine zaradi disociacije površinske vode, ki uravnava preostale obremenitve (kar lahko vodi tudi do magnetnega sevanja) in spremeni pH preostalih tekočih folij, na primer NH ₄²Tako₄ postane bolj kisla in NaCl postane bolj alkalna.

Pravokotne so na obrazu kristalne rešetke ledu, ki prikazuje pritrjeni naslednji sloj (z O-črnimi atomi). Odlikuje ga počasi rastoča bazalna površina {0 0 0 1}, kjer so pritrjene samo izolirane molekule vode. Hitro rastoča (1 0 -1 0 0) površina prizme, kjer lahko pari na novo vezanih delcev komunicirajo z vodikom (ena od njenih vezi / dve molekuli elementa). Najhitreje rastoči obraz {1 1 -2 0} (sekundarni prizmatični), kjer verige na novo vezanih delcev lahko medsebojno komunicirajo z vodikovo vezjo. Ena od verige / molekule elementa je oblika, ki tvori grebene, ki delijo in spodbujajo preoblikovanje v dve strani prizme.

Entropija ničelne točke

Lahko se definira kot S ₀ = k _B ˣ Ln (N _E0), kjer je k B boltzmanska konstanta, N_E- etochislo konfiguracije z energijo E, kot E0 - najnižji energije. Ta vrednost za entropijo šestkotne ledu na ničelni Kelvina ne krši tretji zakon termodinamike "entropije odlično kristalno pri absolutni ničli natanko nič", saj so ti elementi niso idealne in so delci neurejeno vodikove vezi.

V tem telesu je vodikova vez naključna in hitro spreminja. Te strukture niso ravno enake v energiji, ampak segajo v zelo veliko energetsko blizu držav, se držijo "ledenih pravil". Entropija ničelne točke je zmeda, ki bi ostala, tudi če bi se material lahko ohladil na absolutno nič (0 K = -273,15 ° C). Povzroči eksperimentalno zmedo pri heksagonalnem ledu 3,41 (± 0,2) ˣ mol ^-1 ˣ K ^-1. Teoretično bi bilo mogoče izračunati ničelno entropijo znanih ledenih kristalov z veliko večjo natančnostjo (zanemarjali se napake in širjenje ravni energije), kot pa to eksperimentalno ugotoviti.

Znanstveniki in njihova dela na tem področju

Lahko se definira kot S ₀ = k _B ˣ Ln (N _E0), kjer je k B boltzmanska konstanta, N_E- etochislo konfiguracije z energijo E, kot E0 - najnižji energije. Ta vrednost za entropijo šestkotne ledu na ničelni Kelvina ne krši tretji zakon termodinamike "entropije odlično kristalno pri absolutni ničli natanko nič", saj so ti elementi niso idealne in so delci neurejeno vodikove vezi.

V tem telesu je vodikova vez naključna in hitro spreminja. Te strukture niso ravno enake v energiji, ampak segajo v zelo veliko energetsko blizu držav, se držijo "ledenih pravil". Entropija ničelne točke je zmeda, ki bi ostala, tudi če bi se material lahko ohladil na absolutno nič (0 K = -273,15 ° C). Povzroči eksperimentalno zmedo pri heksagonalnem ledu 3,41 (± 0,2) ˣ mol ^-1 ˣ K ^-1. Teoretično bi bilo mogoče izračunati ničelno entropijo znanih ledenih kristalov z veliko večjo natančnostjo (zanemarjali se napake in širjenje ravni energije), kot pa to eksperimentalno ugotoviti.

Čeprav je vrstni red protonov v razsutem stanju ledu ne naloži, se površina postopek verjetno prednostno omenjeni delci v obliki visi trakovi H in O atomov, enotni pare (nič entropije pri naročenega vodikovih vezi). Najdeno motnja nič ZPE, J ° mol ^-1 ˣ K ^-1 in drugi. Iz vsega navedenega je jasno in jasno, katere vrste kristalnih rešetk so značilne za led.