Šķidra ūdens trīsdimensiju stāvokli ir grūti izpētīt, taču daudz ir uzzināts, analizējot ledus kristālu struktūru. Četri blakus esoši skābekļa atomi, kas mijiedarbojas ar ūdeņradi, aizņem tetraedra virsotnes (tetra=četri, hedrons=plakne). Vidējā enerģija, kas nepieciešama, lai pārrautu šādu saiti ledū, tiek lēsta 23 kJ/mol-1.
Ūdens molekulu spēja veidot noteiktu skaitu ūdeņraža ķēžu, kā arī noteikta stiprība rada neparasti augstu kušanas temperatūru. Kad tas kūst, to notur šķidrs ūdens, kura struktūra ir neregulāra. Lielākā daļa ūdeņraža saišu ir izkropļotas. Lai izjauktu ar ūdeņradi saistītā ledus kristālisko režģi, ir nepieciešams liels enerģijas daudzums siltuma veidā.
Ledus izskata pazīmes (Ih)
Daudzi iedzīvotāji interesējas par to, kāds ir ledus kristāla režģis. NepieciešamsJāņem vērā, ka lielākajai daļai vielu blīvums palielinās sasalšanas laikā, kad molekulārās kustības palēninās un veidojas blīvi iesaiņoti kristāli. Arī ūdens blīvums palielinās, kad tas atdziest līdz maksimumam pie 4°C (277K). Pēc tam, kad temperatūra nokrītas zem šīs vērtības, tā izplešas.
Šis pieaugums ir saistīts ar atvērta, ar ūdeņraža saiti saistīta ledus kristāla veidošanos ar režģi un mazāku blīvumu, kurā katra ūdens molekula ir stingri saistīta ar iepriekš minēto elementu un četrām citām vērtībām, vienlaikus pārvietojoties pietiekami ātri, lai ir lielāka masa. Tā kā šī darbība notiek, šķidrums sasalst no augšas uz leju. Tam ir svarīgi bioloģiski rezultāti, kā rezultātā ledus slānis uz dīķa izolē dzīvās būtnes no liela aukstuma. Turklāt divas papildu ūdens īpašības ir saistītas ar tā ūdeņraža īpašībām: īpatnējais siltums un iztvaikošana.
Detalizēts konstrukciju apraksts
Pirmais kritērijs ir daudzums, kas nepieciešams, lai 1 grama vielas temperatūru paaugstinātu par 1°C. Ūdens pakāpes paaugstināšanai ir nepieciešams salīdzinoši liels siltuma daudzums, jo katra molekula ir iesaistīta daudzās ūdeņraža saitēs, kuras jāsarauj, lai palielinātu kinētisko enerģiju. Starp citu, H2O pārpilnība visu lielo daudzšūnu organismu šūnās un audos nozīmē, ka temperatūras svārstības šūnu iekšienē tiek samazinātas līdz minimumam. Šī funkcija ir ļoti svarīga, jo notiek lielākā daļa bioķīmisko reakcijujutīgs.
Arī ūdens iztvaikošanas siltums ir ievērojami augstāks nekā daudziem citiem šķidrumiem. Lai šo ķermeni pārvērstu gāzē, nepieciešams liels siltuma daudzums, jo ir jāpārrauj ūdeņraža saites, lai ūdens molekulas viena no otras izbīdītos un nonāktu minētajā fāzē. Maināmie ķermeņi ir pastāvīgi dipoli un var mijiedarboties ar citiem līdzīgiem savienojumiem un tiem, kas jonizē un izšķīst.
Citas iepriekš minētās vielas var nonākt saskarē tikai tad, ja ir polaritāte. Tieši šis savienojums ir iesaistīts šo elementu struktūrā. Turklāt tas var izlīdzināties ap šīm daļiņām, kas veidojas no elektrolītiem, tādējādi ūdens molekulu negatīvie skābekļa atomi ir orientēti uz katjoniem, bet pozitīvie joni un ūdeņraža atomi – uz anjoniem.
Cietās vielās, kā likums, veidojas molekulārie kristāla režģi un atomu režģi. Tas ir, ja jods ir veidots tā, lai tas satur I2, , tad cietā oglekļa dioksīdā, tas ir, sausajā ledū, CO2 molekulas ir atrodas kristāla režģa mezglos . Mijiedarbojoties ar līdzīgām vielām, ledam ir jonu kristāliskais režģis. Piemēram, grafīts, kura atomu struktūra ir balstīta uz oglekli, nevar to mainīt, tāpat kā dimants.
Kas notiek, kad galda sāls kristāls izšķīst ūdenī: polārās molekulas piesaista lādētiem elementiem kristālā, kā rezultātā uz tā virsmas veidojas līdzīgas nātrija un hlorīda daļiņas, kā rezultātā veidojas šie ķermeņitiek izmežģīti viens no otra, un tas sāk izšķīst. No šejienes var novērot, ka ledus ir kristāla režģis ar jonu saiti. Katrs izšķīdušais Na + piesaista vairāku ūdens molekulu negatīvos galus, savukārt katrs izšķīdušais Cl - piesaista pozitīvos galus. Apvalku, kas ieskauj katru jonu, sauc par izplūdes sfēru, un tajā parasti ir vairāki šķīdinātāja daļiņu slāņi.
Sausā ledus kristāla režģis
Tiek uzskatīts, ka mainīgie vai jons, ko ieskauj elementi, ir sulfāti. Ja šķīdinātājs ir ūdens, šādas daļiņas tiek hidratētas. Tādējādi jebkura polāra molekula mēdz būt izšķīdināta ar šķidrā ķermeņa elementiem. Sausajā ledū kristāla režģa veids veido atomu saites agregācijas stāvoklī, kas ir nemainīgas. Vēl viena lieta ir kristālisks ledus (sasaldēts ūdens). Jonu organiskajiem savienojumiem, piemēram, karboksilāzei un protonētiem amīniem, jābūt šķīstošiem hidroksilgrupās un karbonilgrupās. Šādās struktūrās esošās daļiņas pārvietojas starp molekulām, un to polārās sistēmas veido ūdeņraža saites ar šo ķermeni.
Protams, pēdējo norādīto grupu skaits molekulā ietekmē tās šķīdību, kas ir atkarīga arī no dažādu struktūru reakcijas elementā: piemēram, sajaucas viena, divu un trīs oglekļa spirti. ar ūdeni, bet lielāki ogļūdeņraži ar atsevišķiem hidroksilgrupas savienojumiem šķidrumos ir daudz mazāk atšķaidīti.
Hexagonal Ih pēc formas ir līdzīgsatomu kristāla režģis. Ledus un visu dabisko sniegu uz Zemes tas izskatās tieši šādi. Par to liecina ledus kristāliskā režģa simetrija, kas izaugusi no ūdens tvaikiem (tas ir, sniegpārslām). Tas ir kosmosa grupā P 63/mm no 194; D 6h, Laue klase 6/mm; līdzīgi kā β-, kam ir 6 spirālveida ass daudzkārtnis (rotācija apkārt, kā arī nobīde gar to). Tam ir diezgan atvērta zema blīvuma struktūra, kur efektivitāte ir zema (~1/3), salīdzinot ar vienkāršām kubiskām (~1/2) vai uz sejas centrētām kubiskām (~3/4) struktūrām.
Salīdzinot ar parasto ledu, sausā ledus kristāliskais režģis, ko saista CO2 molekulas, ir statisks un mainās tikai tad, kad atomi sadalās.
Režģu un to elementu apraksts
Kristālus var uzskatīt par kristāliskiem modeļiem, kas sastāv no loksnēm, kas novietotas viena virs otras. Ūdeņraža saite ir sakārtota, lai gan patiesībā tā ir nejauša, jo protoni var pārvietoties starp ūdens (ledus) molekulām temperatūrā, kas pārsniedz aptuveni 5 K. Patiešām, protoni pastāvīgā tuneļa plūsmā uzvedas kā kvantu šķidrums. To pastiprina neitronu izkliede, parādot to izkliedes blīvumu pusceļā starp skābekļa atomiem, norādot uz lokalizāciju un saskaņotu kustību. Šeit ir ledus līdzība ar atomu, molekulāro kristāla režģi.
Molekulām ir pakāpenisks ūdeņraža ķēdes izvietojumsattiecībā uz tās trim kaimiņiem lidmašīnā. Ceturtajam elementam ir aptumšota ūdeņraža saites izkārtojums. Ir neliela novirze no perfektas sešstūra simetrijas, jo vienības šūna ir par 0,3% īsāka šīs ķēdes virzienā. Visām molekulām ir tāda pati molekulārā vide. Katrā "kastē" ir pietiekami daudz vietas, lai noturētu intersticiāla ūdens daļiņas. Lai gan tās parasti netiek uzskatītas, tās nesen ir efektīvi atklātas ar ledus pulverveida kristāliskā režģa neitronu difrakciju.
Vielu maiņa
Sešstūra korpusam ir trīs punkti ar šķidru un gāzveida ūdeni 0,01 ° C, 612 Pa, cietie elementi - trīs -21,985 ° C, 209,9 MPa, vienpadsmit un divi -199,8 ° C, 70 MPa, kā arī - 34,7 °C, 212,9 MPa. Sešstūra ledus dielektriskā konstante ir 97,5.
Šī elementa kušanas līkni nosaka MPa. Stāvokļa vienādojumi ir pieejami papildus tiem, dažas vienkāršas nevienādības, kas saista fizikālo īpašību izmaiņas ar sešstūra ledus un tā ūdens suspensiju temperatūru. Cietība svārstās ar grādiem, kas paaugstinās no vai zem ģipša (≦2) 0°C temperatūrā līdz laukšpatam (6 Mohs) pie -80°C, neparasti lielas absolūtās cietības izmaiņas (> 24 reizes).
Ledus sešstūra kristāla režģis veido sešstūrainas plāksnes un kolonnas, kur augšējā un apakšējā virsma ir pamatplaknes {0 0 0 1} ar entalpiju 5,57 μJ cm -2un citas līdzvērtīgas sānu daļas sauc par prizmas daļām {1 0 -1 0} ar 5, 94µJ cm -2. Sekundārās virsmas {1 1 -2 0} ar 6,90 ΜJ ˣ cm -2 var veidot pa plaknēm, ko veido konstrukciju malas.
Šāda struktūra uzrāda anomālu siltumvadītspējas samazināšanos, palielinoties spiedienam (kā arī kubiskais un amorfais zema blīvuma ledus), taču atšķiras no vairuma kristālu. Tas ir saistīts ar izmaiņām ūdeņraža saitē, kas samazina skaņas šķērsvirziena ātrumu ledus un ūdens kristāliskajā režģī.
Ir metodes, kas apraksta, kā sagatavot lielus kristāla paraugus un jebkuru vēlamo ledus virsmu. Tiek pieņemts, ka ūdeņraža saite uz pētāmā sešstūra ķermeņa virsmas būs sakārtotāka nekā lielapjoma sistēmā. Variāciju spektroskopija ar fāzes režģa frekvences ģenerēšanu ir parādījusi, ka sešstūra ledus pamatvirsmas zemvirsmas H O ķēdē starp diviem augšējiem slāņiem (L1 un L2) pastāv strukturāla asimetrija. Pieņemtās ūdeņraža saites sešstūru augšējos slāņos (L1 O ··· HO L2) ir stiprākas nekā tās, kas pieņemtas otrajā slānī uz augšējo akumulāciju (L1 OH ··· O L2). Pieejamas interaktīvas sešstūra ledus struktūras.
Izstrādes līdzekļi
Minimālais ūdens molekulu skaits, kas nepieciešams ledus veidošanai, ir aptuveni 275 ± 25, tāpat kā pilnīgai ikozaedru kopai 280. Veidošanās notiek ar ātrumu 10 10 plkst. gaiss-ūdens saskarne, nevis beztaras ūdenī. Ledus kristālu augšana ir atkarīga no dažādiem augšanas ātrumiemenerģijas. Bioloģisko paraugu, pārtikas un orgānu kriokonservēšanas laikā ūdens ir jāaizsargā no sasalšanas.
Tas parasti tiek panākts ar ātru dzesēšanas ātrumu, izmantojot mazus paraugus un kriokonservatoru, kā arī palielinot spiedienu, lai radītu ledu kodolu un novērstu šūnu bojājumus. Ledus/šķidruma brīvā enerģija palielinās no ~30 mJ/m2 pie atmosfēras spiediena līdz 40 mJ/m-2 pie 200 MPa, norādot iemesls, kāpēc rodas šis efekts.
Kāda veida kristāla režģis ir raksturīgs ledus
Alternatīvi, tie var augt ātrāk no prizmu virsmām (S2) uz ātri sasalušu vai satrauktu ezeru nejauši izjauktās virsmas. Izaugsme no {1 1 -2 0} skaldnēm ir vismaz tāda pati, bet pārvērš tās par prizmu pamatnēm. Dati par ledus kristāla attīstību ir pilnībā izpētīti. Dažādu seju elementu relatīvie augšanas ātrumi ir atkarīgi no spējas veidot lielu locītavu mitrināšanas pakāpi. Apkārtējā ūdens temperatūra (zemā) nosaka sazarojuma pakāpi ledus kristālā. Daļiņu augšanu ierobežo difūzijas ātrums pie zemas pārdzesēšanas pakāpes, t.i., <2 °C, kā rezultātā to rodas vairāk.
Bet to ierobežo attīstības kinētika pie augstākiem depresijas līmeņiem >4°C, kā rezultātā notiek adatu augšana. Šī forma ir līdzīga sausā ledus struktūrai (tam ir kristāla režģis ar sešstūra struktūru), dažādasvirsmas attīstības raksturojums un apkārtējā (pārdzesētā) ūdens temperatūra, kas atrodas aiz sniegpārslu plakanajām formām.
Ledus veidošanās atmosfērā būtiski ietekmē mākoņu veidošanos un īpašības. Laukšpats, kas atrodams tuksneša putekļos, kas gadā nonāk atmosfērā miljonos tonnu, ir svarīgi veidotāji. Datorsimulācijas parādīja, ka tas ir saistīts ar prizmatisku ledus kristālu plakņu kodolu veidošanos uz augstas enerģijas virsmas plaknēm.
Daži citi elementi un režģi
Izšķīdušās vielas (izņemot ļoti mazu hēliju un ūdeņradi, kas var iekļūt starpsienās) nevar iekļauties Ih struktūrā pie atmosfēras spiediena, bet tiek izspiestas uz virsmu vai amorfu slāni starp daļiņām. mikrokristālisks ķermenis. Sausā ledus režģa vietās ir daži citi elementi: haotropie joni, piemēram, NH4 + un Cl -, kas ir iekļauti vieglākā šķidruma sasaldēšanā nekā citi kosmotropi, piemēram, Na + un SO42-, tāpēc to noņemšana nav iespējama, jo tie veido plānu kārtiņu no atlikušā šķidruma starp kristāliem. Tas var izraisīt virsmas elektrisko uzlādi virszemes ūdens disociācijas dēļ, līdzsvarojot atlikušos lādiņus (kas var izraisīt arī magnētisko starojumu) un atlikušo šķidruma kārtiņu pH izmaiņas, piemēram, NH 42SO4 kļūst skābāks un NaCl kļūst bāziskāks.
Tās ir perpendikulāras sejāmledus kristāliskais režģis, kas parāda nākamo piestiprināto slāni (ar O atomiem melnā krāsā). Tiem ir raksturīga lēni augoša pamatvirsma {0 0 0 1}, kur pievienotas tikai izolētas ūdens molekulas. Strauji augoša prizmas {1 0 -1 0} virsma, kur jaunpiesaistītu daļiņu pāri var savienoties viens ar otru ar ūdeņradi (viena ūdeņraža saite/divas elementa molekulas). Visstraujāk augošā seja ir {1 1 -2 0} (sekundāra prizmatiska), kur tikko pievienoto daļiņu ķēdes var mijiedarboties viena ar otru, veidojot ūdeņraža saiti. Viena no viņas ķēdēm/elementu molekulām ir forma, kas veido izciļņus, kas sadalās un veicina pārvēršanos divās prizmas pusēs.
Nulles punkta entropija
Var definēt kā S 0=k B ˣ Ln (N E0), kur k B ir Bolcmana konstante, NE ir konfigurāciju skaits pie enerģijas E, un E0 ir mazākā enerģija. Šī sešstūra ledus entropijas vērtība pie nulles Kelvina nepārkāpj trešo termodinamikas likumu "Ideāla kristāla entropija pie absolūtās nulles ir tieši nulle", jo šie elementi un daļiņas nav ideāli, tiem ir nesakārtota ūdeņraža saite.
Šajā ķermenī ūdeņraža saite ir nejauša un strauji mainīga. Šīs struktūras nav gluži vienādas enerģētikā, bet sniedzas līdz ļoti lielam skaitam enerģētiski tuvu stāvokļu, pakļaujas "ledus likumiem". Nulles punkta entropija ir traucējumi, kas saglabātos pat tad, ja materiālu varētu atdzesēt līdz absolūtamnulle (0 K=-273, 15 ° C). Rada eksperimentālu apjukumu sešstūra ledus 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Teorētiski zināmo ledus kristālu nulles entropiju būtu iespējams aprēķināt ar daudz lielāku precizitāti (neņemot vērā defektus un enerģijas līmeņa izplatību), nekā to noteikt eksperimentāli.
Zinātnieki un viņu darbs šajā jomā
Var definēt kā S 0=k B ˣ Ln (N E0), kur k B ir Bolcmana konstante, NE ir konfigurāciju skaits pie enerģijas E, un E0 ir mazākā enerģija. Šī sešstūra ledus entropijas vērtība pie nulles Kelvina nepārkāpj trešo termodinamikas likumu "Ideāla kristāla entropija pie absolūtās nulles ir tieši nulle", jo šie elementi un daļiņas nav ideāli, tiem ir nesakārtota ūdeņraža saite.
Šajā ķermenī ūdeņraža saite ir nejauša un strauji mainīga. Šīs struktūras nav gluži vienādas enerģētikā, bet sniedzas līdz ļoti lielam skaitam enerģētiski tuvu stāvokļu, pakļaujas "ledus likumiem". Nulles punkta entropija ir traucējumi, kas saglabātos pat tad, ja materiālu varētu atdzesēt līdz absolūtai nullei (0 K=-273,15 °C). Rada eksperimentālu apjukumu sešstūra ledus 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Teorētiski zināmo ledus kristālu nulles entropiju būtu iespējams aprēķināt ar daudz lielāku precizitāti (neņemot vērā defektus un enerģijas līmeņa izplatību), nekā to noteikt eksperimentāli.
Lai gan protonu secība lielapjoma ledā nav sakārtota, virsma, iespējams, dod priekšroku šo daļiņu secībai karājošo H atomu joslu un O-vienu pāru veidā (nulles entropija ar sakārtotām ūdeņraža saitēm). Tiek atrasts nulles punkta traucējums ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 un citi. No visa iepriekš minētā ir skaidrs un saprotams, kādi kristāla režģu veidi ir raksturīgi ledus.
