Trodimenzionalno stanje tekuće vode je teško proučavati, ali je mnogo toga naučeno analizom strukture ledenih kristala. Četiri susedna atoma kiseonika u interakciji sa vodonikom zauzimaju vrhove tetraedra (tetra=četiri, hedron=ravan). Prosječna energija potrebna za razbijanje takve veze u ledu procjenjuje se na 23 kJ/mol-1.
Sposobnost molekula vode da formiraju određeni broj vodoničnih lanaca, kao i datu snagu, stvara neobično visoku tačku topljenja. Kada se topi, drži ga tečna voda čija je struktura nepravilna. Većina vodoničnih veza je iskrivljena. Potrebna je velika količina energije u obliku toplote da se razbije kristalna rešetka leda vezanog vodonikom.
Obilježja izgleda leda (Ih)
Mnogi stanovnici se pitaju kakvu vrstu kristalne rešetke ima led. NeophodnoTreba napomenuti da se gustina većine supstanci povećava tokom zamrzavanja, kada se molekularna kretanja usporavaju i formiraju se gusto zbijeni kristali. Gustina vode se takođe povećava kako se hladi do maksimuma na 4°C (277K). Zatim, kada temperatura padne ispod ove vrijednosti, ona se širi.
Ovo povećanje je zbog formiranja otvorenog kristala leda vezanog vodonikom sa svojom rešetkom i manjom gustinom, u kojem je svaki molekul vode čvrsto vezan za gornji element i četiri druge vrijednosti, dok se kreće dovoljno brzo da imaju veću masu. Pošto se ova radnja dogodi, tečnost se smrzava od vrha do dna. Ovo ima važne biološke rezultate, zbog čega sloj leda na jezercu izoluje živa bića od ekstremne hladnoće. Pored toga, dva dodatna svojstva vode povezana su sa njenim vodoničnim karakteristikama: specifična toplota i isparavanje.
Detaljan opis struktura
Prvi kriterijum je količina potrebna da se temperatura 1 grama supstance podigne za 1°C. Za podizanje stepena vode potrebna je relativno velika količina toplote jer je svaki molekul uključen u brojne vodonične veze koje se moraju prekinuti da bi se kinetička energija povećala. Inače, obilje H2O u ćelijama i tkivima svih velikih višećelijskih organizama znači da su temperaturne fluktuacije unutar ćelija svedene na minimum. Ova karakteristika je ključna, jer je brzina većine biohemijskih reakcijaosjetljivo.
Toplota isparavanja vode je takođe značajno veća od topline mnogih drugih tečnosti. Za pretvaranje ovog tijela u plin potrebna je velika količina topline, jer se vodonične veze moraju prekinuti da bi se molekuli vode dislocirali jedan od drugog i ušli u navedenu fazu. Promjenjiva tijela su trajni dipoli i mogu stupiti u interakciju sa drugim sličnim jedinjenjima i onima koja jonizuju i rastvaraju.
Druge gore pomenute supstance mogu doći u kontakt samo ako je prisutan polaritet. To je jedinjenje koje je uključeno u strukturu ovih elemenata. Osim toga, može se poravnati oko ovih čestica formiranih iz elektrolita, tako da su negativni atomi kisika molekula vode orijentirani na katione, a pozitivni ioni i atomi vodika orijentirani na anione.
U čvrstim tijelima, po pravilu, nastaju molekularne kristalne rešetke i atomske. Odnosno, ako je jod izgrađen na način da sadrži I2, , tada su u čvrstom ugljen-dioksidu, odnosno u suhom ledu, CO2 molekule koji se nalazi na čvorovima kristalne rešetke . Kada je u interakciji sa sličnim supstancama, led ima ionsku kristalnu rešetku. Grafit, na primjer, koji ima atomsku strukturu baziranu na ugljiku, nije u stanju da je promijeni, baš kao dijamant.
Šta se događa kada se kristal kuhinjske soli otopi u vodi: polarne molekule privlače nabijeni elementi u kristalu, što dovodi do stvaranja sličnih čestica natrijuma i klorida na njegovoj površini, što rezultira ovim tijelimasu dislocirani jedan od drugog i počinje da se otapa. Odavde se može primijetiti da led ima kristalnu rešetku s ionskom vezom. Svaki otopljeni Na + privlači negativne krajeve nekoliko molekula vode, dok svaki otopljeni Cl - privlači pozitivne krajeve. Ljuska koja okružuje svaki ion naziva se sfera bijega i obično sadrži nekoliko slojeva čestica rastvarača.
Kristalna rešetka suvog leda
Varijable ili jon okružen elementima se kaže da su sulfatirani. Kada je rastvarač voda, takve čestice su hidrirane. Dakle, bilo koja polarna molekula teži da bude solvatirana od strane elemenata tekućeg tijela. U suhom ledu, tip kristalne rešetke formira atomske veze u stanju agregacije, koje su nepromijenjene. Druga stvar je kristalni led (zamrznuta voda). Jonska organska jedinjenja kao što su karboksilaza i protonirani amini moraju biti rastvorljiva u hidroksilnim i karbonilnim grupama. Čestice sadržane u takvim strukturama kreću se između molekula, a njihovi polarni sistemi formiraju vodonične veze sa ovim tijelom.
Naravno, broj zadnjih naznačenih grupa u molekulu utiče na njegovu rastvorljivost, koja takođe zavisi od reakcije različitih struktura u elementu: na primer, jedno-, dvo- i trougljenični alkoholi se mešaju s vodom, ali veći ugljovodonici sa pojedinačnim hidroksilnim jedinjenjima su mnogo manje razrijeđeni u tekućinama.
Heksagonalni Ih je sličan po oblikuatomska kristalna rešetka. Za led i sav prirodni snijeg na Zemlji, to izgleda upravo ovako. O tome svjedoči simetrija kristalne rešetke leda, uzgojenog iz vodene pare (odnosno pahuljica). Nalazi se u svemirskoj grupi P 63/mm od 194; D 6h, Laue klasa 6/mm; slično β-, koji ima višestruku spiralnu osu od 6 (rotacija okolo pored pomeranja duž nje). Ima prilično otvorenu strukturu niske gustine gde je efikasnost niska (~1/3) u poređenju sa jednostavnim kubičnim (~1/2) ili centriranim kubičnim (~3/4) strukturama.
U poređenju sa običnim ledom, kristalna rešetka suvog leda, vezana molekulima CO2, je statična i menja se samo kada se atomi raspadnu.
Opis rešetki i njihovih elemenata
Kristali se mogu posmatrati kao kristalni modeli, koji se sastoje od listova postavljenih jedan iznad drugog. Vodonička veza je uređena, dok je u stvarnosti nasumična, budući da se protoni mogu kretati između molekula vode (leda) na temperaturama iznad oko 5 K. Zaista, vjerovatno je da se protoni ponašaju kao kvantni fluid u konstantnom tunelskom toku. Ovo je pojačano rasipanjem neutrona, pokazujući njihovu gustinu raspršenja na pola puta između atoma kiseonika, što ukazuje na lokalizaciju i usklađeno kretanje. Ovdje postoji sličnost leda sa atomskom, molekularnom kristalnom rešetkom.
Molekuli imaju poređani raspored vodonikovog lancau odnosu na svoja tri suseda u avionu. Četvrti element ima pomračeni raspored vodonične veze. Postoji neznatno odstupanje od savršene heksagonalne simetrije, jer je jedinična ćelija 0,3% kraća u pravcu ovog lanca. Svi molekuli doživljavaju isto molekularno okruženje. Unutar svake "kutije" ima dovoljno prostora da zadrži čestice intersticijske vode. Iako se općenito ne razmatraju, nedavno su efektivno otkriveni neutronskom difrakcijom praškaste kristalne rešetke leda.
Promjena tvari
Šestougaono telo ima trostruke tačke sa tečnom i gasovitom vodom 0,01°C, 612 Pa, čvrsti elementi - tri -21,985°C, 209,9 MPa, jedanaest i dva -199,8°C, 70 MPa, kao i - 34,7 °C, 212,9 MPa. Dielektrična konstanta heksagonalnog leda je 97,5.
Kriva topljenja ovog elementa je data u MPa. Jednačine stanja su dostupne, pored njih, i neke jednostavne nejednakosti koje se odnose na promjenu fizičkih svojstava sa temperaturom heksagonalnog leda i njegovih vodenih suspenzija. Tvrdoća varira sa stepenom koji raste od ili ispod gipsa (≦2) na 0°C do feldspata (6 Mohs) na -80°C, nenormalno velika promjena apsolutne tvrdoće (> 24 puta).
Heksagonalna kristalna rešetka leda formira heksagonalne ploče i stupove, gdje su gornje i donje strane bazalne ravni {0 0 0 1} sa entalpijom od 5,57 μJ cm -2, i drugi ekvivalentni bočni dijelovi nazivaju se dijelovi prizme {1 0 -1 0} sa 5, 94µJ cm -2. Sekundarne površine {1 1 -2 0} sa 6,90 ΜJ ˣ cm -2 mogu se formirati duž ravnina formiranih od strane struktura.
Ovakva struktura pokazuje anomalan pad toplotne provodljivosti sa povećanjem pritiska (kao i kubni i amorfni led male gustine), ali se razlikuje od većine kristala. To je zbog promjene vodonične veze, koja smanjuje poprečnu brzinu zvuka u kristalnoj rešetki leda i vode.
Postoje metode koje opisuju kako pripremiti uzorke velikih kristala i bilo koju željenu površinu leda. Pretpostavlja se da će vodonična veza na površini heksagonalnog tijela koja se proučava biti uređenija nego unutar sistema obima. Varijacijska spektroskopija sa generiranjem frekvencije fazne rešetke pokazala je da postoji strukturna asimetrija između dva gornja sloja (L1 i L2) u podzemnom HO lancu bazalne površine heksagonalnog leda. Usvojene vodonične veze u gornjim slojevima heksagona (L1 O ··· HO L2) su jače od onih prihvaćenih u drugom sloju do gornje akumulacije (L1 OH ··· O L2). Dostupne interaktivne heksagonalne strukture leda.
Razvojne karakteristike
Minimalni broj molekula vode potrebnih za formiranje leda je približno 275 ± 25, kao za kompletan ikosaedarski klaster od 280. Formiranje se dešava brzinom od 10 10 na interfejs vazduh-voda, a ne u rasutom stanju vode. Rast ledenih kristala ovisi o različitim brzinama rasta raznihenergije. Voda mora biti zaštićena od smrzavanja prilikom kriokonzerviranja bioloških uzoraka, hrane i organa.
Ovo se obično postiže brzim brzinama hlađenja, upotrebom malih uzoraka i kriokonzervatora, i povećanjem pritiska za stvaranje jezgara leda i sprečavanje oštećenja ćelija. Slobodna energija leda/tečnosti raste sa ~30 mJ/m2 pri atmosferskom pritisku na 40 mJ/m-2 na 200 MPa, što ukazuje razlog zašto se ovaj efekat javlja.
Koji tip kristalne rešetke je karakterističan za led
Alternativno, mogu brže rasti sa površina prizme (S2), na nasumično poremećenoj površini brzo smrznutih ili uzburkanih jezera. Rast od {1 1 -2 0} lica je barem isti, ali ih pretvara u baze prizme. Podaci o razvoju ledenog kristala su u potpunosti istraženi. Relativna stopa rasta elemenata različitih lica zavisi od sposobnosti formiranja velikog stepena hidratacije zglobova. Temperatura (niska) okolne vode određuje stepen grananja u kristalu leda. Rast čestica je ograničen brzinom difuzije pri niskom stepenu superhlađenja, tj. <2 °C, što rezultira više njih.
Ali ograničeno kinetikom razvoja na višim nivoima depresije od >4°C, što rezultira rastom iglica. Ovaj oblik je sličan strukturi suhog leda (ima kristalnu rešetku sa heksagonalnom strukturom), različitekarakteristike razvoja površine i temperature okolne (prehlađene) vode, koja se nalazi iza ravnih oblika pahuljica.
Formiranje leda u atmosferi duboko utiče na formiranje i svojstva oblaka. Feldspari, pronađeni u pustinjskoj prašini koja ulazi u atmosferu u milionima tona godišnje, važni su za formiranje. Kompjuterske simulacije su pokazale da je to zbog nukleacije prizmatičnih ravnina kristala leda na visokoenergetskim površinskim ravnima.
Neki drugi elementi i rešetke
Otopljene supstance (sa izuzetkom vrlo malog helija i vodika, koji mogu ući u međuprostoru) ne mogu se uključiti u Ih strukturu pri atmosferskom pritisku, već se istiskuju na površinu ili amorfni sloj između čestica mikrokristalno telo. Postoje još neki elementi na rešetkastim mjestima suhog leda: haotropni joni kao što su NH4 + i Cl - koji su uključeni u lakše zamrzavanje tečnosti od drugih kosmotropskih kao što su Na + i SO42-, pa njihovo uklanjanje nije moguće zbog činjenice da stvaraju tanak film preostale tekućine između kristala. To može dovesti do električnog punjenja površine zbog disocijacije površinske vode koja uravnotežuje preostale naboje (što također može dovesti do magnetnog zračenja) i promjene pH zaostalih tečnih filmova, npr. NH 42SO4 postaje kiseliji i NaCl postaje bazičniji.
Oni su okomiti na licakristalna rešetka leda koja prikazuje sljedeći sloj pričvršćen (sa O atomima u crnoj boji). Karakterizira ih sporo rastuća bazalna površina {0 0 0 1}, na koju su vezani samo izolirani molekuli vode. Brzo rastuća {1 0 -1 0} površina prizme na kojoj se parovi novovezanih čestica mogu međusobno povezati sa vodonikom (jedna vodonična veza/dva molekula elementa). Najbrže rastuće lice je {1 1 -2 0} (sekundarno prizmatično), gdje lanci novovezanih čestica mogu međusobno komunicirati vodoničnim vezama. Jedan od njenih lanaca/molekula elementa je oblik koji formira grebene koji dijele i podstiču transformaciju u dvije strane prizme.
Entropija nulte tačke
Može se definirati kao S 0=k B ˣ Ln (N E0), gdje je k B Boltzmannova konstanta, NE je broj konfiguracija na energiji E, a E0 je najniža energija. Ova vrijednost za entropiju heksagonalnog leda na nuli Kelvin ne krši treći zakon termodinamike "Entropija idealnog kristala na apsolutnoj nuli je tačno nula", budući da ovi elementi i čestice nisu idealni, imaju neuređenu vodikovu vezu.
U ovom tijelu, vodonična veza je nasumična i brzo se mijenja. Ove strukture nisu baš jednake po energiji, ali se protežu na veoma veliki broj energetski bliskih stanja, poštujući "pravila leda". Entropija nulte tačke je poremećaj koji bi ostao čak i kada bi se materijal mogao ohladiti do apsolutnognula (0 K=-273, 15 °C). Stvara eksperimentalnu konfuziju za heksagonalni led 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Teoretski, bilo bi moguće izračunati nultu entropiju poznatih kristala leda sa mnogo većom preciznošću (zanemarujući defekte i širenje nivoa energije) nego eksperimentalno odrediti.
Naučnici i njihov rad u ovoj oblasti
Može se definirati kao S 0=k B ˣ Ln (N E0), gdje je k B Boltzmannova konstanta, NE je broj konfiguracija na energiji E, a E0 je najniža energija. Ova vrijednost za entropiju heksagonalnog leda na nuli Kelvin ne krši treći zakon termodinamike "Entropija idealnog kristala na apsolutnoj nuli je tačno nula", budući da ovi elementi i čestice nisu idealni, imaju neuređenu vodikovu vezu.
U ovom tijelu, vodonična veza je nasumična i brzo se mijenja. Ove strukture nisu baš jednake po energiji, ali se protežu na veoma veliki broj energetski bliskih stanja, poštujući "pravila leda". Entropija nulte tačke je poremećaj koji bi ostao čak i kada bi se materijal mogao ohladiti na apsolutnu nulu (0 K=-273,15°C). Stvara eksperimentalnu konfuziju za heksagonalni led 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Teoretski, bilo bi moguće izračunati nultu entropiju poznatih kristala leda sa mnogo većom preciznošću (zanemarujući defekte i širenje nivoa energije) nego eksperimentalno odrediti.
Iako red protona u masi leda nije uređen, površina vjerovatno preferira red ovih čestica u obliku traka visećih H-atoma i O-jednostrukih parova (nulta entropija sa uređenim vodoničnim vezama). Pronađen je poremećaj nulte tačke ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 i drugi. Iz svega navedenog jasno je i razumljivo koje vrste kristalnih rešetki su karakteristične za led.
