Krystalická mřížka ledu a vody

Trojrozměrný stav kapalné vody je obtížné zkoumat, ale hodně bylo studováno analýzou struktury ledových krystalů. Čtyři sousední atomy kyslíku s vodíkovou interakcí zaujímají vrcholy tetraedonu (tetra = čtyři, hydron = rovina). Průměrná energie potřebná k zničení takové vazby v ledu se odhaduje na 23 kJ / mol^-1

Schopnost molekul vody vytvářet daný počet vodíkových řetězců a také tato síla vytváří neobvykle vysoký bod tání. Když se roztaví, je zadržována tekutou vodou, jejíž struktura je nepravidelná. Většina vodíkových vazeb je zkreslená. Zničit krystalovou mřížku ledu vodíkovou vazbou vyžaduje velkou hmotnost energie ve formě tepla.

Vlastnosti vzhledu ledu (Ih)

Mnoho z měšťanů se zajímá o krystalovou mřížku ledu. Mělo by být poznamenáno, že hustota většiny látek se zvyšuje s mrznutím, kdy se zpomalují molekulární pohyby a vytvářejí se hustě zabalené krystaly. Hustota vody také vzrůstá, když se ochlazuje na maximum při 4 ° C (277 K). Potom, když teplota klesne pod tuto hodnotu, rozšiřuje se.

Tento nárůst je v důsledku tvorby vodíku vázaných otevřený ledu krystalické mřížky a s nižší hustotou, ve které je každá molekula vody pevně spojena s výše uvedeným prvkem a dalších čtyř hodnot, a tím se pohybuje dostatečně rychle, že mají větší hmotnost. Od té doby se kapalina zmrzne shora dolů. To má důležité biologické výsledky, díky nimž vrstva ledu na jezírku izoluje živé bytosti od těžkého nachlazení. Kromě toho jsou dvě další vlastnosti vody spojeny s jeho vodíkovými vlastnostmi: specifickým teplem a odpařováním.

Podrobný popis struktur

Prvním kritériem je množství potřebné ke zvýšení teploty o 1 gram látky o 1 ° C. Pro zvýšení stupně vody je zapotřebí poměrně velká část tepla, protože každá molekula se účastní řady vodíkových vazeb, které musí být zničeny, aby se zvýšila kinetická energie. Mimochodem, hojnost H₂O v buňkách a tkáních všech velkých mnohobuněčných organismů znamená, že kolísání teploty uvnitř buněk je minimalizováno. Tato funkce je zásadní, protože rychlost většiny biochemických reakcí je citlivá.

Teplo odpařování vody je také výrazně vyšší než u mnoha jiných tekutin. Aby se toto tělo přeměnila na plyn, je zapotřebí velké množství tepla, protože vodíkové vazby musí být zničeny, aby molekuly vody mohly být od sebe odděleny a vstoupily do indikované fáze. Modifikovatelná tělesa jsou trvalé dipoly a mohou interagovat s jinými podobnými sloučeninami a těmi, které ionizují a rozpouštějí.

Jiné výše uvedené látky se mohou dostat do styku pouze za přítomnosti polarity. Právě toto spojení se podílí na struktuře těchto prvků. Dále může být zarovnány kolem těchto částic, které jsou vyrobeny z elektrolytů, takže negativní kyslíkové atomy vodních molekul orientovaných kace a kladné ionty a atomy vodíku, orientované na anionty.

V pevných látek Zpravidla se tvoří molekulární krystalové mřížky a atomové mřížky. To znamená, jestliže je jód konstruován tak, že obsahuje I_2, pak v tuhém oxidu uhličitém, tj. v suchém ledu, mřížková místa obsahují molekuly CO₂. Při interakci s podobnými látkami má iontová krystalová mřížka led. Grafit, například s atomovou strukturou založenou na uhlíku, není schopen ji měnit, stejně jako diamant.

Co se stane, když je stolní sůl krystaly se rozpustí ve vodě: polární molekuly jsou přitahovány k nabitým prvků v krystalu, což vede k vytvoření takových částic, a chloridu sodného na svém povrchu, které jsou výsledkem těchto orgánů jsou rozmístěny od sebe navzájem, a to začne rozpouštět. Proto lze pozorovat, že led má krystalovou mřížku s iontovou vazbou. Každý rozpuštěný Na + přitahuje negativní konce několika molekul vody, zatímco každý rozpuštěný Cl - přitahuje pozitivní konec. Plášť obklopující každý iont se nazývá koule spásy a obvykle obsahuje několik vrstev rozpouštědlových částic.

Krystalická mřížka suchého ledu

Říká se, že proměnné nebo ionty obklopené prvky jsou sulfátovány. Pokud je rozpouštědlem voda, tyto částice jsou hydratovány. Takže jakákoli polární molekula má tendenci být solvatována prvky tekutého těla. U suchého ledu tvoří krystalová mřížka v agregátním stavu atomové vazby, které se nemění. Další věc je krystalický led (zmrzlá voda). Iontové organické sloučeniny, jako jsou karboxylázy a protonované aminy, musí mít rozpustnost v hydroxylových a karbonylových skupinách. Částice obsažené v těchto strukturách se pohybují mezi molekulami a jejich polární systémy tvoří s tímto tělem vodíkové vazby.

Samozřejmě, že počet v posledních uvedených skupin v molekule, má vliv na jeho rozpustnosti, která závisí také na reakci různých struktur v prvku: například jeden, dva a tři uhlíkové alkoholy mísitelné s vodou, ale větší uhlovodíky s jednotlivými hydroxylové sloučeniny v mnohem menším ředitelnosti kapalina.

Hexagonální Ih má tvar podobný atomové krystalové mřížce. Na ledě a všem přirozeném sněhu na Zemi to vypadá takto. To je doloženo symetrií krystalové mřížky ledu, rostoucích z vodní páry (to jsou sněhové vločky). Umístěný v prostorové skupině P 63 / mm od 194-D 6h, Laue třídy 6 / mm-podobné beta - s osou vícenásobných šroubů (rotace navíc k posunu podél ní). To má relativně otevřenou strukturu s nízkou hustotou, kde je nízký výkon (~ 3,1) ve srovnání s jednoduchou krychlový (~ 1/2), nebo plošně centrované krychlové (~ 3/4) struktur.

Ve srovnání s běžným ledem je krystalová mřížka suchého ledu vázána molekulami CO₂, je statická a mění se pouze tehdy, když se atomy rozpadají.

Popis mřížek a jejich prvků

Krystaly mohou být považovány za krystalové modely složené z listů uspořádaných nad sebou. Vodíková vazba je nařízeno, zatímco ve skutečnosti je náhodná, protože protony se mohou pohybovat mezi molekulami vody (ledové), při teplotě vyšší než asi 5 K. Ve skutečnosti, je pravděpodobné, že tyto protony se chovají jako kvantový kapaliny v konstantní tunelovanou proudu. To je podpořeno rozptýlením neutronů, které ukazují hustotu jejich rozptylu v půli cesty mezi atomy kyslíku, což naznačuje lokalizaci a koordinovaný pohyb. Zde je pozorována podobnost ledu s atomovou strukturou molekulových krystalů.

Molekuly mají postupné uspořádání vodíkového řetězce vzhledem k jeho třem sousedům v rovině. Čtvrtý prvek má zastíněnou polohu vodíkové vazby. Existuje mírná odchylka od ideální šestiúhelníkové symetrie, protože jednotková buňka je o 0,3% kratší ve směru tohoto řetězce. Všechny molekuly podléhají stejnému molekulárnímu prostředí. V každé "krabici" je dostatek prostoru pro udržování intersticiálních vodních částic. Ačkoli to obecně není zvažováno, nedávno byly účinně detekovány neutronovou difrakcí s práškovou krystalovou mřížkou ledu.

Změna látek

Šestihranné těleso má trojí bod s kapalným a plynným vody 0,01 ° C, 612 Pa, pevné prvky - tři -21,985 ° C, 209,9 MPa, a jedenáct dva -199,8 ° C, 70 MPa a -34 , 7 ° C, 212,9 MPa. Dielektrická konstanta hexagonálního ledu je 97,5.

Tavicí křivka tohoto prvku je dána parametrem MPa. K dispozici jsou rovnice stavu, s výjimkou některých jednoduchých nerovností spojujících změnu fyzikálních vlastností s teplotou hexagonálního ledu a jeho vodných suspenzí. Tvrdost se mění v závislosti na stupních, které se zvyšují přibližně od nebo pod sádrou (le-2) při 0 ° C, na úroveň živce rozsah Mohsů) při -80 ° C, abnormálně velká změna absolutní tvrdosti (> 24krát).

Hexagonální krystalová mřížka hexagonálních destiček tvorbě ledu a sloupcích, vyznačující se tím, že horní a dolní bazální roviny plošek jsou {0 0 0 1} s entalpií 5.57 UJ střední-cm ^-2, a další ekvivalentní boční strany se nazývají části hranolu {1 0 -1 0} s 5,94 μJ střední-cm ^-2. Sekundární plochy {1 1 -2 0} od 6.90 mu-J ˣ cm ^-2 mohou být vytvořeny na rovinách vytvořených stranami konstrukcí.

Podobná struktura ukazuje anomální pokles tepelné vodivosti se zvyšujícím se tlakem (jako je krychlový a amorfní led s nízkou hustotou), ale liší se od většiny krystalů. To je způsobeno změnou vodíkové vazby, která snižuje příčnou rychlost zvuku v krystalové mřížce ledu a vody.

Existují metody, které popisují, jak připravit velké vzorky krystalů a jakékoliv požadované plochy ledu. Předpokládá se, že vodíková vazba na povrchu studovaného šestiúhelníku bude více uspořádaná než uvnitř sypkého systému. Variace spektroskopie generování frekvence kmitání se fáze mřížka ukazuje, že se jedná o strukturální asymetrie mezi oběma horními vrstvami (L1 a L2) v podpovrchové HO řetězu bazálního povrchu hexagonální ledu. Akceptované vodíkové vazby v horních vrstvách hexagonů (L10 middot-middot-middot-HO L2) je silnější než u druhé vrstvy k horní akumulaci (L1 OH middot-middot-middot-O L2). Interaktivní struktury šestihranného ledu jsou k dispozici.

Vlastnosti vývoje

Minimální počet molekul vody potřebný pro nukleaci ledu je přibližně 275 ± 25, jako u úplného ikosaedrálního seskupení 280. Formace probíhá s koeficientem 10 ¹⁰ na rozhraní vzduch-voda a nikoliv v sypké vodě. Růst ledových krystalů závisí na různých rychlostech růstu různých energií. Voda by měla být chráněna před zamrznutím při kryopreparování biologických vzorků, potravin a orgánů.

Obvykle se to dosahuje rychlou rychlostí ochlazování, použitím malých vzorků a kryo konzervativních látek a zvýšením tlaku na tvorbu ledových embryí a předcházení poškození buněk. Volná energie ledu / kapaliny se zvyšuje z ~ 30 mJ / m² při atmosférickém tlaku do 40 mJ / m^-2 při 200 MPa, což ukazuje důvod pro podobný účinek.

Který typ krystalové mřížky je charakteristický pro led

Alternativně mohou růst rychleji z povrchu hranolu (S2), na náhodně narušeném povrchu rychle zmrzlých nebo rozrušených jezer. Růst od tváří {1 1 -2 0} je přinejmenším stejný, ale přemění je do základů hranolu. Údaje o vývoji ledového krystalu byly kompletně vyšetřeny. Relativní rychlosti růstu prvků různých tváří závisí na schopnosti vytvořit větší stupeň hydratace kloubů. Teplota (nízká) okolní vody určuje stupeň větvení v ledovém krystalu. Růst částic je omezen rychlostí difúze při nízkém stupni podchlazení, tj. <2 ° C, což vede k více z nich.

Je však omezena kinetikou vývoje při vyšších stupních snížení stupňů> 4 ° C, což vede k růstu jehel. Tato forma je podobná struktuře suchého ledu (s hexagonální krystalovou příhradová konstrukce), různých vlastností povrchu a okolní teplota (podchlazené) vody, který je za plochých tvoří sněhové vločky.

Nulování ledu v atmosféře hluboce ovlivňuje tvorbu a vlastnosti oblačnosti. Feldspar, nalezený v pouštním prachu, který vstupuje do atmosféry o miliony tun ročně, jsou důležitými pedagogy. Počítačové modelování ukázalo, že je to způsobeno vytvářením rovin na hranolcích ledových krystalů v rovinách s vysokou energií.

Některé další prvky a latě

Rozpuštěné látky (s výjimkou velmi malých helium a vodík, který může být začleněn do mezer), nemohou být do struktury Ih při atmosférickém tlaku, ale posunuta na povrchu amorfní nebo mikrokrystalické vrstvy mezi částicemi těla. V uzlech krystalické mřížky suchého ledu jsou některé další prvky: chaotropní ionty, jako NH₄ ⁺ a Cl ^-, které jsou zahrnuty do snadnějšího zmrazování tekutin než jiné kosmotropické, jako je Na ⁺ a SO₄^2-, takže nemohou být odstraněny, protože tvoří tenkou vrstvu zbývající kapaliny mezi krystaly. To může vést k elektrickému náboji povrchu kvůli disociaci povrchové vody vyvážením zbývajících nábojů (což může také vést k magnetickému záření) a změnou pH zbytkových kapalných filmů, například NH ₄²SO₄ stává se kyselější a NaCl se stává více alkalickým.

Jsou kolmé k tvářím krystalové mřížky ledu, která ukazuje připojenou další vrstvu (s O-černými atomy). Je charakterizován pomalu rostoucím bazálním povrchem {0 0 0 1}, kde jsou připojeny pouze izolované molekuly vody. Rychle se {1 -1 0 0} stěna hranolu, kde nově spojené dvojice se mohou vázat částice na sobě atom vodíku (jeden jeho připojení / dva člen molekuly). Nejrychleji rostoucí plocha {1-2 lednu 0} (sekundární prizmatika), vyznačující se tím, že řetězové opět připojené částice mohou komunikovat prostřednictvím vodíkové vazby. Jedním z jeho řetězců / molekuly prvku je forma tvořící hřebeny, které rozdělují a podporují přeměnu na dvě strany hranolu.

Entropie nulového bodu

Může být definován jako S ₀ = k _B ˣ Ln (N _E0), kde k B je Boltzmannova konstanta, N_EJe počet konfigurací s energií E a E0 nejnižší energií. Tato hodnota pro entropii hexagonálního ledu při nulové Kelvina neporušuje třetí zákon termodynamiky „entropie dokonalého krystalu u absolutní nuly přesně nula“, protože tyto prvky nejsou ideální, a částice jsou neuspořádané vodíkové vazby.

V tomto těle je vodíková vazba náhodná a rychle se mění. Tyto struktury nejsou v energetice přesně stejné, ale rozšiřují se na velmi velké množství energeticky těsných států, dodržují "pravidla pro led". Entropie s nulovým bodem je nepořádek, který by zůstal, a to iv případě, že by byl materiál ochlazen na absolutní nulu (0 K = -273,15 ° C). To vyvolává experimentální zmatek pro hexagonální led 3, 41 (± 0,2) ˣ mol ^-1 ˣ K ^-1. Teoreticky by bylo možné vypočítat nulovou entropii známých ledových krystalů s mnohem větší přesností (zanedbáním defektů a rozšířením energetických hladin), než je určit experimentálně.

Vědci a jejich práce v této oblasti

Může být definován jako S ₀ = k _B ˣ Ln (N _E0), kde k B je Boltzmannova konstanta, N_EJe počet konfigurací s energií E a E0 nejnižší energií. Tato hodnota pro entropii hexagonálního ledu při nulové Kelvina neporušuje třetí zákon termodynamiky „entropie dokonalého krystalu u absolutní nuly přesně nula“, protože tyto prvky nejsou ideální, a částice jsou neuspořádané vodíkové vazby.

V tomto těle je vodíková vazba náhodná a rychle se mění. Tyto struktury nejsou v energetice přesně stejné, ale rozšiřují se na velmi velké množství energeticky těsných států, dodržují "pravidla pro led". Entropie s nulovým bodem je nepořádek, který by zůstal, a to iv případě, že by byl materiál ochlazen na absolutní nulu (0 K = -273,15 ° C). To vyvolává experimentální zmatek pro hexagonální led 3, 41 (± 0,2) ˣ mol ^-1 ˣ K ^-1. Teoreticky by bylo možné vypočítat nulovou entropii známých ledových krystalů s mnohem větší přesností (zanedbáním defektů a rozšířením energetických hladin), než je určit experimentálně.

I když pořadí protonů v ledové hmotě není nařízeno, povrch je pravděpodobně výhodný postup, že částice ve formě závěsných lišt H a O atomů, jednotlivé páry (nula entropie se objednané vodíkovými vazbami). Porucha nulového bodu ZPE, J ˣ mol ^-1 ˣ K ^-1 a další. Ze všech výše uvedených je jasné a jasné, jaké typy krystalových mřížek jsou charakteristické pro led.