Trodimenzionalno stanje tekuće vode teško je proučavati, ali mnogo se naučilo analizom strukture ledenih kristala. Četiri susjedna atoma kisika u interakciji s vodikom zauzimaju vrhove tetraedra (tetra=četiri, hedron=ravnina). Prosječna energija potrebna za razbijanje takve veze u ledu procjenjuje se na 23 kJ/mol-1.
Sposobnost molekula vode da formiraju određeni broj vodikovih lanaca, kao i zadanu snagu, stvara neobično visoku točku taljenja. Kad se topi, drži ga tekuća voda čija je struktura nepravilna. Većina vodikovih veza je iskrivljena. Potrebna je velika količina energije u obliku topline da se razbije kristalna rešetka leda vezanog vodikom.
Obilježja izgleda leda (Ih)
Mnogi stanovnici se pitaju kakvu vrstu kristalne rešetke ima led. NeophodanValja napomenuti da se gustoća većine tvari povećava tijekom zamrzavanja, kada se molekularna kretanja usporavaju i nastaju gusto zbijeni kristali. Gustoća vode također raste kako se hladi do maksimuma na 4°C (277K). Zatim, kada temperatura padne ispod ove vrijednosti, širi se.
Ovo povećanje je posljedica formiranja otvorenog, vodikovom vezom ledenog kristala sa svojom rešetkom i nižom gustoćom, u kojem je svaka molekula vode čvrsto vezana za gornji element i četiri druge vrijednosti, dok se kreće dovoljno brzo da imaju veću masu. Budući da se ova radnja dogodi, tekućina se smrzava od vrha do dna. To ima važne biološke rezultate, zbog čega sloj leda na ribnjaku izolira živa bića od ekstremne hladnoće. Osim toga, dva dodatna svojstva vode povezana su s njenim karakteristikama vodika: specifična toplina i isparavanje.
Detaljan opis struktura
Prvi kriterij je količina potrebna da se temperatura 1 grama tvari podigne za 1°C. Za podizanje stupnjeva vode potrebna je relativno velika količina topline jer je svaka molekula uključena u brojne vodikove veze koje se moraju prekinuti kako bi se kinetička energija povećala. Inače, obilje H2O u stanicama i tkivima svih velikih višestaničnih organizama znači da su temperaturne fluktuacije unutar stanica svedene na minimum. Ova značajka je ključna, budući da je brzina većine biokemijskih reakcijaosjetljivo.
Toplina isparavanja vode također je znatno veća od topline mnogih drugih tekućina. Za pretvaranje ovog tijela u plin potrebna je velika količina topline, jer se vodikove veze moraju prekinuti da bi se molekule vode jedna od druge dislocirala i ušla u spomenutu fazu. Promjenjiva 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 ako je prisutan polaritet. Upravo je ovaj spoj uključen 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 u pravilu nastaju molekularne kristalne i atomske rešetke. Odnosno, ako je jod izgrađen na način da sadrži I2, , tada su u čvrstom ugljičnom dioksidu, odnosno u suhom ledu, CO2 molekule koji se nalazi na čvorovima kristalne rešetke . Kada je u interakciji sa sličnim tvarima, led ima ionsku kristalnu rešetku. Grafit, na primjer, koji ima atomsku strukturu baziranu na ugljiku, nije je u stanju promijeniti, baš kao dijamant.
Što se događa kada se kristal kuhinjske soli otopi u vodi: polarne molekule privlače nabijeni elementi u kristalu, što dovodi do stvaranja sličnih čestica natrija i klorida na njegovoj površini, što rezultira tim tijelimasu dislocirani jedan od drugog i počinje se otapati. 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 escape sphere i obično sadrži nekoliko slojeva čestica otapala.
kristalna rešetka suhog leda
Varijable ili ion okružen elementima se kaže da su sulfatirani. Kada je otapalo voda, takve čestice su hidratizirane. Dakle, bilo koja polarna molekula nastoji biti solvatirana elementima tekućeg tijela. U suhom ledu, tip kristalne rešetke stvara atomske veze u stanju agregacije, koje su nepromijenjene. Druga stvar je kristalni led (zamrznuta voda). Ionski organski spojevi kao što su karboksilaza i protonirani amini moraju biti topljivi u hidroksilnim i karbonilnim skupinama. Čestice sadržane u takvim strukturama kreću se između molekula, a njihovi polarni sustavi stvaraju vodikove veze s ovim tijelom.
Naravno, broj posljednjih naznačenih skupina u molekuli utječe na njezinu topljivost, koja također ovisi o reakciji različitih struktura u elementu: na primjer, jedno-, dvo- i trougljični alkoholi se miješaju s vodom, ali veći ugljikovodici s pojedinačnim hidroksilnim spojevima mnogo su manje razrijeđeni u tekućinama.
Šesterokutni Ih po obliku je sličanatomska 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 snježnih pahuljica). Nalazi se u svemirskoj grupi P 63/mm od 194; D 6h, Laue klasa 6/mm; slično β-, koji ima višekratnik 6 zavojne osi (rotacija okolo uz pomicanje duž nje). Ima prilično otvorenu strukturu niske gustoće gdje je učinkovitost niska (~1/3) u usporedbi s jednostavnim kubičnim (~1/2) ili centriranim kubičnim (~3/4) strukturama.
U usporedbi s običnim ledom, kristalna rešetka suhog leda, vezana molekulama CO2, statična je i mijenja se samo kada se atomi raspadnu.
Opis rešetki i njihovih elemenata
Kristali se mogu promatrati kao kristalni modeli, koji se sastoje od listova postavljenih jedan iznad drugog. Vodikova veza je uređena, dok je u stvarnosti slučajna, budući da se protoni mogu kretati između molekula vode (leda) na temperaturama iznad oko 5 K. Doista, vjerojatno je da se protoni ponašaju poput kvantne tekućine u stalnom tunelskom toku. To je pojačano raspršenjem neutrona, što pokazuje njihovu gustoću raspršenja na pola puta između atoma kisika, što ukazuje na lokalizaciju i usklađeno kretanje. Ovdje postoji sličnost leda s atomskom, molekularnom kristalnom rešetkom.
Molekule imaju poređani raspored vodikovog lancas obzirom na svoja tri susjeda u ravnini. Četvrti element ima pomračeni raspored vodikove veze. Postoji neznatno odstupanje od savršene heksagonalne simetrije, jer je jedinična ćelija 0,3% kraća u smjeru ovog lanca. Sve molekule doživljavaju isto molekularno okruženje. Unutar svake "kutije" ima dovoljno prostora da zadrži čestice intersticijske vode. Iako se općenito ne razmatraju, nedavno su učinkovito otkriveni difrakcijom neutrona praškaste kristalne rešetke leda.
Promjena tvari
Šesterokutno tijelo ima trostruke točke s tekućom i plinovitom 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.
Krivulja taljenja ovog elementa data je u MPa. Jednadžbe stanja dostupne su, osim njih, i neke jednostavne nejednakosti koje se odnose na promjenu fizikalnih svojstava s temperaturom heksagonalnog leda i njegovih vodenih suspenzija. Tvrdoća varira sa stupnjevima koji raste od ili ispod gipsa (≦2) na 0°C do feldspat (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 ravnine {0 0 0 1} s entalpijom od 5,57 μJ cm -2, i drugi ekvivalentni bočni dijelovi nazivaju se dijelovi prizme {1 0 -1 0} s 5, 94µJ cm -2. Sekundarne površine {1 1 -2 0} sa 6,90 ΜJ ˣ cm -2 mogu se formirati duž ravnina koje formiraju strane strukture.
Takva struktura pokazuje anomalan pad toplinske vodljivosti s povećanjem tlaka (kao i kubični i amorfni led male gustoće), ali se razlikuje od većine kristala. To je zbog promjene vodikove 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 vodikova veza na površini heksagonalnog tijela koja se proučava biti uređenija nego unutar sustava rasutog prostora. Varijacijska spektroskopija s 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 vodikove veze u gornjim slojevima heksagona (L1 O ··· HO L2) jače su od onih prihvaćenih u drugom sloju do gornje akumulacije (L1 OH ··· O L2). Dostupne interaktivne šesterokutne ledene strukture.
Razvojne značajke
Minimalni broj molekula vode potrebnih za formiranje leda je približno 275 ± 25, kao za kompletan ikosaedarski skup od 280. Formiranje se događa brzinom od 10 10 na sučelje zrak-voda, a ne u rasutom stanju vode. Rast kristala leda ovisi o različitim brzinama rasta raznihenergije. Voda mora biti zaštićena od smrzavanja prilikom kriokonzerviranja bioloških uzoraka, hrane i organa.
To se obično postiže brzim hlađenjem, korištenjem malih uzoraka i kriokonzervatora, te povećanjem pritiska za stvaranje jezgri leda i sprječavanje oštećenja stanica. Slobodna energija leda/tekućine raste s ~30 mJ/m2 pri atmosferskom tlaku na 40 mJ/m-2 pri 200 MPa, što znači razlog zašto se ovaj učinak javlja.
Koja je vrsta kristalne rešetke karakteristična za led
Alternativno, mogu brže rasti s 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 u potpunosti su istraženi. Relativna stopa rasta elemenata različitih lica ovisi o sposobnosti stvaranja velikog stupnja hidratacije zglobova. Temperatura (niska) okolne vode određuje stupanj grananja u kristalu leda. Rast čestica ograničen je brzinom difuzije pri niskom stupnju prehlađenja, tj. <2 °C, što rezultira više njih.
Ali ograničeno kinetikom razvoja na višim razinama depresije od >4°C, što rezultira rastom iglica. Ovaj oblik je sličan strukturi suhog leda (ima kristalnu rešetku s heksagonalnom strukturom), različitekarakteristike razvoja površine i temperature okolne (prehlađene) vode, koja se nalazi iza ravnih oblika snježnih pahulja.
Stvaranje leda u atmosferi duboko utječe na stvaranje i svojstva oblaka. Feldspars, pronađeni u pustinjskoj prašini koja ulazi u atmosferu u milijunima tona godišnje, važni su tvorci. Računalne simulacije pokazale su da je to posljedica nukleacije prizmatičnih ravnina kristala leda na visokoenergetskim površinskim ravninama.
Neki drugi elementi i rešetke
Otopljene tvari (s izuzetkom vrlo malog helija i vodika, koji mogu ući u međuprostore) ne mogu se uključiti u Ih strukturu pri atmosferskom tlaku, već se istiskuju na površinu ili amorfni sloj između čestica mikrokristalno tijelo. Postoje neki drugi elementi na rešetkastim mjestima suhog leda: kaotropni ioni kao što su NH4 + i Cl - koji su uključeni u lakše zamrzavanje tekućine od ostalih kosmotropskih kao što su Na + i SO42-, pa ih uklanjanje nije moguće zbog činjenice da između kristala stvaraju tanki film preostale tekućine. To može dovesti do električnog naboja površine zbog disocijacije površinske vode koja uravnotežuje preostale naboje (što također može dovesti do magnetskog zračenja) i promjene pH zaostalih tekućih filmova, npr. NH 42SO4 postaje kiseliji, a NaCl postaje bazičniji.
Oni su okomiti na licakristalna rešetka leda koja prikazuje sljedeći sloj pričvršćen (s O atomima u crnoj boji). Karakterizira ih polako rastuća bazalna površina {0 0 0 1}, na koju su vezane samo izolirane molekule vode. Brzo rastuća {1 0 -1 0} površina prizme na kojoj se parovi novovezanih čestica mogu međusobno povezati s vodikom (jedna vodikova veza/dvije molekule elementa). Najbrže rastuće lice je {1 1 -2 0} (sekundarno prizmatično), gdje lanci novovezanih čestica mogu međusobno komunicirati vodikovom vezom. Jedan od njezinih lanaca/molekula elementa je oblik koji tvori grebene koji dijele i potiču transformaciju u dvije strane prizme.
entropija nulte točke
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 Kelvina ne krši treći zakon termodinamike "Entropija idealnog kristala na apsolutnoj nuli je točno nula", budući da ti elementi i čestice nisu idealni, imaju neuređenu vodikovu vezu.
U ovom tijelu vodikova veza je nasumična i brzo se mijenja. Te strukture nisu baš jednake po energiji, ali se protežu na vrlo velik broj energetski bliskih stanja, pokoravaju se "pravilima leda". Entropija nulte točke je poremećaj koji bi ostao čak i kada bi se materijal mogao ohladiti do apsolutnognula (0 K=-273, 15 ° C). Stvara eksperimentalnu zbrku za heksagonalni led 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Teoretski, bilo bi moguće izračunati nultu entropiju poznatih kristala leda s mnogo većom točnošću (zanemarujući defekte i širenje razine energije) nego eksperimentalno odrediti.
Znanstvenici i njihov rad u ovom području
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 Kelvina ne krši treći zakon termodinamike "Entropija idealnog kristala na apsolutnoj nuli je točno nula", budući da ti elementi i čestice nisu idealni, imaju neuređenu vodikovu vezu.
U ovom tijelu vodikova veza je nasumična i brzo se mijenja. Te strukture nisu baš jednake po energiji, ali se protežu na vrlo velik broj energetski bliskih stanja, pokoravaju se "pravilima leda". Entropija nulte točke je poremećaj koji bi ostao čak i kada bi se materijal mogao ohladiti na apsolutnu nulu (0 K=-273,15°C). Stvara eksperimentalnu zbrku za heksagonalni led 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Teoretski, bilo bi moguće izračunati nultu entropiju poznatih kristala leda s mnogo većom točnošću (zanemarujući defekte i širenje razine energije) nego eksperimentalno odrediti.
Iako poredak protona u rasutom ledu nije uređen, površina vjerojatno preferira redoslijed ovih čestica u obliku traka visećih H-atoma i O-jednostrukih parova (nula entropija s uređenim vodikovim vezama). Pronađen je poremećaj nulte točke ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 i drugi. Iz svega navedenog jasno je i razumljivo koje su vrste kristalnih rešetki karakteristične za led.
