Skysto vandens trimatę būseną sunku ištirti, tačiau daug buvo išmokta analizuojant ledo kristalų struktūrą. Keturi gretimi su vandeniliu sąveikaujantys deguonies atomai užima tetraedro viršūnes (tetra=keturi, edronas=plokštuma). Apskaičiuota, kad vidutinė energija, reikalinga tokiam ryšiui lede nutraukti, yra 23 kJ/mol-1.
Vandens molekulių gebėjimas sudaryti tam tikrą vandenilio grandinių skaičių ir tam tikrą stiprumą sukuria neįprastai aukštą lydymosi temperatūrą. Kai tirpsta, jį sulaiko skystas vanduo, kurio struktūra netaisyklinga. Dauguma vandenilio jungčių yra iškraipytos. Norint sulaužyti vandeniliu sujungto ledo kristalinę gardelę, reikia daug šilumos energijos.
Ledo išvaizdos ypatybės (Ih)
Daugelis gyventojų domisi, kokios ledo krištolinės gardelės. BūtinasPažymėtina, kad daugumos medžiagų tankis didėja užšaldant, kai sulėtėja molekuliniai judesiai ir susidaro tankiai supakuoti kristalai. Vandens tankis taip pat didėja, kai jis atvėsta iki maksimumo esant 4°C (277K). Tada, kai temperatūra nukrenta žemiau šios vertės, ji plečiasi.
Šis padidėjimas atsirado dėl to, kad susidaro atviras, vandeniliu sujungtas ledo kristalas su gardelėmis ir mažesniu tankiu, kuriame kiekviena vandens molekulė yra tvirtai surišta su aukščiau nurodytu elementu ir keturiomis kitomis reikšmėmis, o juda pakankamai greitai, kad turėti daugiau masės. Kadangi šis veiksmas įvyksta, skystis užšąla iš viršaus į apačią. Tai turi svarbių biologinių rezultatų, dėl kurių ledo sluoksnis ant tvenkinio izoliuoja gyvas būtybes nuo didelio šalčio. Be to, dvi papildomos vandens savybės yra susijusios su jo vandenilio charakteristikomis: savitoji šiluma ir garavimas.
Išsamus konstrukcijų aprašymas
Pirmasis kriterijus yra kiekis, reikalingas 1 gramo medžiagos temperatūrai pakelti 1°C. Norint pakelti vandens laipsnius, reikia palyginti daug šilumos, nes kiekviena molekulė yra susijusi su daugybe vandenilio ryšių, kurie turi būti nutraukti, kad kinetinė energija padidėtų. Beje, H2O gausa visų stambių daugialąsčių organizmų ląstelėse ir audiniuose reiškia, kad temperatūros svyravimai ląstelių viduje yra minimalūs. Ši savybė yra labai svarbi, nes daugumos biocheminių reakcijų greitisjautrus.
Vandens garavimo šiluma taip pat yra žymiai didesnė nei daugelio kitų skysčių. Šiam kūnui paversti dujomis reikalingas didelis šilumos kiekis, nes vandeniliniai ryšiai turi būti nutrūkę, kad vandens molekulės išsiskirtų viena nuo kitos ir patektų į minėtą fazę. Keičiami kūnai yra nuolatiniai dipoliai ir gali sąveikauti su kitais panašiais junginiais bei tais, kurie jonizuojasi ir tirpsta.
Kitos anksčiau paminėtos medžiagos gali liestis tik esant poliškumui. Būtent šis junginys dalyvauja šių elementų struktūroje. Be to, jis gali išsilyginti aplink šias daleles, susidarančias iš elektrolitų, kad neigiami vandens molekulių deguonies atomai būtų nukreipti į katijonus, o teigiami jonai ir vandenilio atomai – į anijonus.
Kietosiose medžiagose paprastai susidaro molekulinės kristalinės gardelės ir atominės. Tai yra, jei jodas sudarytas taip, kad jame būtų I2, , tai kietajame anglies dioksido, ty sausame lede, CO2 molekulės yra esančios kristalinės gardelės mazguose . Sąveikaujant su panašiomis medžiagomis, ledas turi joninę kristalinę gardelę. Pavyzdžiui, grafitas, kurio atominė struktūra pagrįsta anglimi, negali jos pakeisti, kaip ir deimantas.
Kas atsitinka, kai valgomosios druskos kristalas ištirpsta vandenyje: poliarines molekules traukia įkrauti kristalo elementai, todėl ant jo paviršiaus susidaro panašios natrio ir chlorido dalelės, dėl kurių susidaro šie kūnaiyra išnirę vienas nuo kito, ir jis pradeda tirpti. Iš čia galima pastebėti, kad ledas turi kristalinę gardelę su joniniu ryšiu. Kiekvienas ištirpęs Na + pritraukia kelių vandens molekulių neigiamus galus, o kiekvienas ištirpęs Cl - teigiamus galus. Kiekvieną joną supantis apvalkalas vadinamas pabėgimo sfera ir paprastai jame yra keli tirpiklio dalelių sluoksniai.
Sauso ledo kristalų grotelės
Kintamieji arba elementų apsupti jonai yra sulfatuoti. Kai tirpiklis yra vanduo, tokios dalelės yra hidratuojamos. Taigi bet kuri polinė molekulė yra linkusi ištirpti skysto kūno elementų. Sausame lede kristalinės gardelės tipas formuoja atomines jungtis agregacijos būsenoje, kurios nesikeičia. Kitas dalykas – kristalinis ledas (užšalęs vanduo). Joniniai organiniai junginiai, tokie kaip karboksilazė ir protonuoti aminai, turi būti tirpūs hidroksilo ir karbonilo grupėse. Tokiose struktūrose esančios dalelės juda tarp molekulių, o jų polinės sistemos sudaro vandenilinius ryšius su šiuo kūnu.
Žinoma, paskutinių nurodytų grupių skaičius molekulėje turi įtakos jos tirpumui, o tai taip pat priklauso nuo įvairių elemento struktūrų reakcijos: pavyzdžiui, vienos, dviejų ir trijų anglies alkoholiai maišosi. su vandeniu, bet didesni angliavandeniliai su atskirais hidroksilo junginiais yra daug mažiau skiedžiami skysčiais.
Šešiakampis Ih yra panašus įatominė kristalinė gardelė. Ledas ir visas natūralus sniegas Žemėje atrodo būtent taip. Tai liudija ledo kristalinės gardelės, išaugintos iš vandens garų (tai yra, snaigių), simetrija. Jis yra erdvėje grupėje P 63/mm nuo 194; D 6h, Laue klasė 6/mm; panašus į β-, kuris turi 6 spiralinės ašies kartotinį (sukimas aplinkui, be to, poslinkis išilgai jos). Jis turi gana atvirą mažo tankio struktūrą, kurios efektyvumas yra mažas (~1/3), palyginti su paprastomis kubinėmis (~1/2) arba į paviršių nukreiptomis kubinėmis (~3/4) struktūromis.
Palyginti su paprastu ledu, sauso ledo kristalinė gardelė, surišta CO2 molekulių, yra statiška ir pasikeičia tik skylant atomams.
Gretų ir jų elementų aprašymas
Kristalai gali būti vertinami kaip kristaliniai modeliai, sudaryti iš lapų, išdėstytų vienas virš kito. Vandenilio ryšys yra tvarkingas, o iš tikrųjų jis yra atsitiktinis, nes protonai gali judėti tarp vandens (ledo) molekulių esant aukštesnei nei 5 K temperatūrai. Iš tikrųjų tikėtina, kad protonai elgiasi kaip kvantinis skystis nuolatiniame tuneliniame sraute. Tai sustiprina neutronų sklaida, rodanti jų sklaidos tankį pusiaukelėje tarp deguonies atomų, o tai rodo lokalizaciją ir suderintą judėjimą. Čia yra ledo panašumas su atomine, molekuline kristaline gardele.
Molekulių vandenilio grandinės išdėstymas yra laipsniškassavo trijų kaimynų plokštumoje atžvilgiu. Ketvirtasis elementas turi užtemdytą vandenilio ryšio išdėstymą. Yra nedidelis nukrypimas nuo tobulos šešiakampės simetrijos, nes vienetinis elementas yra 0,3% trumpesnis šios grandinės kryptimi. Visos molekulės patiria tą pačią molekulinę aplinką. Kiekvienos „dėžutės“viduje yra pakankamai vietos tarpląstelinio vandens dalelėms laikyti. Nors jie paprastai nėra laikomi, pastaruoju metu jie buvo veiksmingai aptikti pagal ledo miltelių kristalinės gardelės neutronų difrakciją.
Medžiagų keitimas
Šešiakampis korpusas turi tris taškus su skystu ir dujiniu vandeniu 0,01 ° C, 612 Pa, kietieji elementai - trys -21,985 ° C, 209,9 MPa, vienuolika ir du -199,8 ° C, 70 MPa, taip pat - 34,7 °C, 212,9 MPa. Šešiakampio ledo dielektrinė konstanta yra 97,5.
Šio elemento lydymosi kreivė nurodyta MPa. Būsenos lygtys, be jų, yra keletas paprastų nelygybių, susiejančių fizikinių savybių pasikeitimą su šešiakampio ledo ir jo vandeninių suspensijų temperatūra. Kietumas svyruoja, kai laipsniai kyla nuo gipso (≦2) arba žemiau 0°C iki lauko špato (6 Mohs) esant -80°C, neįprastai didelis absoliutaus kietumo pokytis (> 24 kartus).
Šešiakampė ledo kristalinė gardelė sudaro šešiakampes plokštes ir stulpelius, kurių viršutinė ir apatinė paviršiai yra bazinės plokštumos {0 0 0 1}, kurių entalpija yra 5,57 μJ cm -2ir kitos lygiavertės šoninės dalys vadinamos prizmės dalimis {1 0 -1 0} su 5, 94µJ cm -2. Antriniai paviršiai {1 1 -2 0} su 6,90 ΜJ ˣ cm -2 gali būti formuojami išilgai plokštumų, kurias sudaro konstrukcijų šonai.
Tokia struktūra rodo nenormalų šilumos laidumo sumažėjimą didėjant slėgiui (taip pat mažo tankio kubiniam ir amorfiniam ledui), tačiau skiriasi nuo daugumos kristalų. Taip yra dėl vandenilinio ryšio pasikeitimo, dėl kurio sumažėja skersinis garso greitis ledo ir vandens kristalinėje gardelėje.
Yra metodų, apibūdinančių, kaip paruošti didelius kristalų pavyzdžius ir bet kokį norimą ledo paviršių. Daroma prielaida, kad vandenilio ryšys tiriamo šešiakampio kūno paviršiuje bus tvarkingesnis nei tūrinės sistemos viduje. Variacinė spektroskopija su fazės-gardelės dažnio generavimu parodė, kad šešiakampio ledo bazinio paviršiaus požeminėje H O grandinėje yra struktūrinė asimetrija tarp dviejų viršutinių sluoksnių (L1 ir L2). Vandeniliniai ryšiai viršutiniuose šešiakampių sluoksniuose (L1 O ··· HO L2) yra stipresni nei tie, kurie priimti antrajame viršutiniame akumuliacijos sluoksnyje (L1 OH ··· O L2). Galimos interaktyvios šešiakampės ledo konstrukcijos.
Kūrimo funkcijos
Mažiausias ledui susidaryti reikalingas vandens molekulių skaičius yra apytiksliai 275 ± 25, kaip ir 280 ikozaedrų klasteriui. Formavimasis vyksta 10 10 greičiu. oro ir vandens sąsaja, o ne biriame vandenyje. Ledo kristalų augimas priklauso nuo skirtingų augimo tempųenergijos. Vanduo turi būti apsaugotas nuo užšalimo, kai šaldomi biologiniai mėginiai, maistas ir organai.
Tai paprastai pasiekiama greitu aušinimo greičiu, naudojant mažus mėginius ir kriokonservatorių bei didinant slėgį ledo branduoliui susidaryti ir ląstelių pažeidimui išvengti. Ledo/skysčio laisvoji energija padidėja nuo ~30 mJ/m2 esant atmosferos slėgiui iki 40 mJ/m-2 esant 200 MPa. priežastis, kodėl atsiranda šis poveikis.
Kokio tipo kristalinė gardelė būdinga ledui
Arba jie gali greičiau augti nuo prizminių paviršių (S2), ant atsitiktinai pažeisto greitai užšalusių arba sujudintų ežerų paviršiaus. Išaugimas iš {1 1 -2 0} paviršių yra bent toks pat, bet paverčia juos prizmės pagrindais. Duomenys apie ledo kristalo vystymąsi buvo visiškai ištirti. Skirtingų veidų elementų santykiniai augimo tempai priklauso nuo gebėjimo suformuoti didelį sąnario hidratacijos laipsnį. Aplinkinio vandens temperatūra (žema) lemia ledo kristalo šakojimosi laipsnį. Dalelių augimą riboja difuzijos greitis esant žemam peršaldymo laipsniui, t. y. <2 °C, todėl jų susidaro daugiau.
Tačiau jį riboja vystymosi kinetika esant aukštesniam >4°C depresijos lygiui, todėl adata auga. Ši forma panaši į sauso ledo struktūrą (turi šešiakampės struktūros kristalinę gardelę), įvairiospaviršiaus vystymosi charakteristikos ir aplinkinio (peršalusio) vandens temperatūra, kuri yra už plokščių snaigių formų.
Ledo susidarymas atmosferoje daro didelę įtaką debesų susidarymui ir savybėms. Lauko špatai, randami dykumos dulkėse, kurių per metus į atmosferą patenka milijonai tonų, yra svarbūs formuotojai. Kompiuterinis modeliavimas parodė, kad taip yra dėl prizminių ledo kristalų plokštumų branduolių susidarymo didelės energijos paviršiaus plokštumose.
Kai kurie kiti elementai ir gardelės
Itirpusios medžiagos (išskyrus labai mažą helio ir vandenilio, kurie gali patekti į tarpus) negali būti įtrauktos į Ih struktūrą esant atmosferos slėgiui, bet yra išstumiamos į paviršių arba amorfinį sluoksnį tarp dalelių. mikrokristalinis kūnas. Sauso ledo gardelės vietose yra keletas kitų elementų: chaotropiniai jonai, tokie kaip NH4 + ir Cl -, kurie yra įtraukti į lengvesnį skysčių šaldymą nei kiti kosmotropiniai, pvz., Na + ir SO42-, todėl jų pašalinti neįmanoma dėl to, kad tarp kristalų susidaro plona likusio skysčio plėvelė. Tai gali sukelti paviršiaus elektrinį įkrovimą dėl paviršinio vandens disociacijos, balansuojančio likusius krūvius (tai taip pat gali sukelti magnetinę spinduliuotę) ir likusių skystų plėvelių pH pasikeitimą, pvz., NH 42SO4 tampa rūgštesnis, o NaCl – baziškesnis.
Jos yra statmenos veiduiledo kristalinė gardelė, rodanti kitą pritvirtintą sluoksnį (su juodais O atomais). Jiems būdingas lėtai augantis bazinis paviršius {0 0 0 1}, kur prijungtos tik izoliuotos vandens molekulės. Sparčiai augantis {1 0 -1 0} prizmės paviršius, kuriame naujai prisijungusių dalelių poros gali jungtis viena su kita vandeniliu (viena vandenilio jungtis / dvi elemento molekulės). Sparčiausiai augantis paviršius yra {1 1 -2 0} (antrinė prizminė), kur naujai prijungtų dalelių grandinės gali sąveikauti viena su kita vandeniliniu ryšiu. Viena iš jos grandinių / elemento molekulių yra forma, kuri sudaro keteras, kurios dalijasi ir skatina transformaciją į dvi prizmės puses.
Nulio taško entropija
Galima apibrėžti kaip S 0=k B ˣ Ln (N E0), kur k B yra Boltzmanno konstanta, NE yra konfigūracijų skaičius prie energijos E, o E0 yra mažiausia energija. Ši šešiakampio ledo entropijos reikšmė nuliui Kelvinų nepažeidžia trečiojo termodinamikos dėsnio „Idealaus kristalo entropija ties absoliučiu nuliu lygi nuliui“, nes šie elementai ir dalelės nėra idealūs, turi netvarkingą vandenilio ryšį.
Šiame kūne vandenilio ryšys yra atsitiktinis ir greitai kintantis. Šios struktūros nėra visiškai vienodos savo energija, bet tęsiasi iki labai daug energetiškai artimų būsenų, paklūsta „ledo taisyklėms“. Nulinio taško entropija yra sutrikimas, kuris išliktų, net jei medžiagą būtų galima atvėsinti iki absoliučiosnulis (0 K=-273, 15 °C). Sukuria eksperimentinę painiavos šešiakampio ledo 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Teoriškai žinomų ledo kristalų nulinę entropiją būtų galima apskaičiuoti daug tiksliau (neatsižvelgiant į defektus ir energijos lygio sklaidą), nei nustatyti eksperimentiškai.
Mokslininkai ir jų darbas šioje srityje
Galima apibrėžti kaip S 0=k B ˣ Ln (N E0), kur k B yra Boltzmanno konstanta, NE yra konfigūracijų skaičius prie energijos E, o E0 yra mažiausia energija. Ši šešiakampio ledo entropijos reikšmė nuliui Kelvinų nepažeidžia trečiojo termodinamikos dėsnio „Idealaus kristalo entropija ties absoliučiu nuliu lygi nuliui“, nes šie elementai ir dalelės nėra idealūs, turi netvarkingą vandenilio ryšį.
Šiame kūne vandenilio ryšys yra atsitiktinis ir greitai kintantis. Šios struktūros nėra visiškai vienodos savo energija, bet tęsiasi iki labai daug energetiškai artimų būsenų, paklūsta „ledo taisyklėms“. Nulinio taško entropija yra sutrikimas, kuris išliktų, net jei medžiagą būtų galima atvėsinti iki absoliutaus nulio (0 K=-273,15 °C). Sukuria eksperimentinę painiavos šešiakampio ledo 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Teoriškai žinomų ledo kristalų nulinę entropiją būtų galima apskaičiuoti daug tiksliau (neatsižvelgiant į defektus ir energijos lygio sklaidą), nei nustatyti eksperimentiškai.
Nors protonų tvarka biriame lede nėra sutvarkyta, paviršius tikriausiai teikia pirmenybę šių dalelių tvarkai kabančių H atomų juostose ir pavienių O porų pavidalu (nulinė entropija su tvarkingais vandenilio ryšiais). Rastas nulinio taško sutrikimas ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 ir kt. Iš viso to, kas išdėstyta aukščiau, aišku ir suprantama, kokių tipų kristalinės gardelės būdingos ledui.
