A folyékony víz háromdimenziós állapotát nehéz tanulmányozni, de sokat tanultunk a jégkristályok szerkezetének elemzéséből. Négy szomszédos hidrogénnel kölcsönható oxigénatom foglalja el a tetraéder csúcsait (tetra=négy, éder=sík). Az ilyen kötés jégben való felszakításához szükséges átlagos energia becslések szerint 23 kJ/mol-1.
A vízmolekulák azon képessége, hogy adott számú hidrogénláncot hozzon létre, valamint adott erőssége szokatlanul magas olvadáspontot eredményez. Amikor megolvad, folyékony víz tartja vissza, melynek szerkezete szabálytalan. A hidrogénkötések többsége torz. A hidrogénkötésű jég kristályrácsának feltöréséhez nagy mennyiségű hőre van szükség.
Jég megjelenésének jellemzői (Ih)
A lakosok közül sokan kíváncsiak, milyen kristályrács van a jégen. SzükségesMegjegyzendő, hogy a legtöbb anyag sűrűsége növekszik a fagyasztás során, amikor a molekuláris mozgások lelassulnak, és sűrűn tömörödött kristályok képződnek. A víz sűrűsége is nő, ahogy 4°C-on (277K) maximumra hűl. Aztán amikor a hőmérséklet ez alá az érték alá esik, kitágul.
Ez a növekedés annak köszönhető, hogy egy nyitott, hidrogénkötésű jégkristály képződik annak rácsával és kisebb sűrűségével, amelyben minden vízmolekula mereven kötődik a fenti elemhez és négy másik értékhez, miközben elég gyorsan mozog nagyobb tömege legyen. Mivel ez a művelet megtörténik, a folyadék fentről lefelé lefagy. Ennek fontos biológiai következményei vannak, aminek következtében a tó jégrétege elszigeteli az élőlényeket az extrém hidegtől. Ezenkívül a víz két további tulajdonsága is összefügg a hidrogénjellemzőivel: a fajhő és a párolgás.
A szerkezetek részletes leírása
Az első kritérium az a mennyiség, amely egy gramm anyag hőmérsékletének 1°C-kal történő emeléséhez szükséges. A vízfok emelése viszonylag nagy hőmennyiséget igényel, mivel minden molekula számos hidrogénkötésben vesz részt, amelyeket fel kell szakítani a mozgási energia növekedéséhez. Mellesleg, a H2O minden nagy többsejtű élőlény sejtjében és szövetében azt jelenti, hogy a sejteken belüli hőmérséklet-ingadozások minimálisra csökkennek. Ez a tulajdonság kulcsfontosságú, mivel a legtöbb biokémiai reakció sebességeérzékeny.
A víz párolgáshője is lényegesen magasabb, mint sok más folyadéké. Ennek a testnek a gázzá alakításához nagy mennyiségű hőre van szükség, mert a hidrogénkötéseknek fel kell szakadniuk ahhoz, hogy a vízmolekulák eltávolodjanak egymástól és az említett fázisba kerüljenek. A cserélhető testek állandó dipólusok, és kölcsönhatásba léphetnek más hasonló vegyületekkel, valamint azokkal, amelyek ionizálnak és oldódnak.
A fent említett egyéb anyagok csak polaritás esetén érintkezhetnek. Ez a vegyület vesz részt ezen elemek szerkezetében. Ezenkívül ezek köré az elektrolitokból képződött részecskék köré tud igazodni, így a vízmolekulák negatív oxigénatomjai a kationokhoz, a pozitív ionok és hidrogénatomok pedig az anionokhoz.
Szilárd anyagokban rendszerint molekuláris kristályrácsok és atomi kristályrácsok képződnek. Vagyis ha a jód úgy épül fel, hogy I2, tartalmaz, akkor szilárd szén-dioxidban, azaz szárazjégben a CO2 molekulák a kristályrács csomópontjainál található. Ha hasonló anyagokkal lép kölcsönhatásba, a jég ionos kristályrácsot tartalmaz. Például a grafit, amelynek atomi szerkezete szénalapú, nem képes megváltoztatni azt, akárcsak a gyémánt.
Mi történik, ha a konyhasó kristály feloldódik a vízben: a poláris molekulák a kristályban lévő töltött elemekhez vonzódnak, ami hasonló nátrium- és kloridrészecskék képződéséhez vezet a felületén, aminek eredményeként ezek a testekelmozdulnak egymástól, és elkezd feloldódni. Innen megfigyelhető, hogy a jégnek van egy ionos kötésű kristályrácsa. Minden egyes oldott Na + több vízmolekula negatív végét vonzza, míg minden oldott Cl - a pozitív végét. Az egyes ionokat körülvevő héjat szökési gömbnek nevezik, és általában több réteg oldószerrészecskét tartalmaz.
Szárazjég kristályrács
A változókat vagy egy elemekkel körülvett iont szulfatáltnak mondják. Ha az oldószer víz, az ilyen részecskék hidratálódnak. Így bármely poláris molekula hajlamos arra, hogy a folyékony test elemei szolvatáljanak. A szárazjégben a kristályrács típusa aggregált állapotban atomi kötéseket hoz létre, amelyek változatlanok. Egy másik dolog a kristályos jég (fagyott víz). Az ionos szerves vegyületeknek, például a karboxiláznak és a protonált aminoknak oldódniuk kell hidroxil- és karbonilcsoportokban. Az ilyen struktúrákban lévő részecskék molekulák között mozognak, és poláris rendszereik ezzel a testtel hidrogénkötéseket alkotnak.
Természetesen a molekulában az utolsó jelzett csoportok száma befolyásolja az oldhatóságát, ami az elemben lévő különböző szerkezetek reakciójától is függ: például az egy-, két- és háromszénatomos alkoholok elegyednek. vízzel, de az egyes hidroxilvegyületeket tartalmazó nagyobb szénhidrogének sokkal kevésbé hígulnak folyadékokban.
A hatszögletű Ih alakja hasonló aatomi kristályrács. A jég és minden természetes hó a Földön pontosan így néz ki. Ezt bizonyítja a vízgőzből (vagyis hópelyhekből) kinőtt jég kristályrácsának szimmetriája. 194-től P 63/mm tércsoportban van; D 6h, Laue osztály 6/mm; hasonló a β-hez, amelynek 6 spirális tengelyének többszöröse van (körbeforgatás mellett eltolás is). Meglehetősen nyitott kis sűrűségű szerkezettel rendelkezik, ahol a hatásfok alacsony (~1/3) az egyszerű köbös (~1/2) vagy homlokközpontú köbös (~3/4) szerkezetekhez képest.
A közönséges jéghez képest a szárazjég kristályrácsa, amelyet CO2 molekulák kötnek meg, statikus, és csak az atomok bomlásakor változik.
Rácsok és elemeik leírása
A kristályok kristályos modellekként tekinthetők, amelyek egymás fölé helyezett lapokból állnak. A hidrogénkötés rendezett, míg a valóságban véletlenszerű, mivel a protonok körülbelül 5 K feletti hőmérsékleten mozoghatnak a víz (jég) molekulák között. Valószínű, hogy a protonok kvantumfolyadékként viselkednek állandó alagútáramlásban. Ezt fokozza a neutronok szóródása, amely az oxigénatomok között félúton mutatja szórási sűrűségüket, jelezve a lokalizációt és az összehangolt mozgást. Itt van hasonlóság a jégnek egy atomi, molekuláris kristályrácshoz.
A molekulák hidrogénlánca lépcsőzetesen helyezkedik ela síkban lévő három szomszédjához képest. A negyedik elem elhomályosított hidrogénkötés-elrendezésű. A tökéletes hatszögletű szimmetriától némi eltérés tapasztalható, mivel ennek a láncnak az irányában az egységcella 0,3%-kal rövidebb. Minden molekula ugyanazt a molekuláris környezetet éli át. Minden "dobozban" van elegendő hely a szövetközi víz részecskéinek tárolására. Bár általában nem veszik figyelembe, a közelmúltban hatékonyan detektálták őket a jég porszerű kristályrácsának neutrondiffrakciójával.
Az anyagok megváltoztatása
A hatszögletű testnek három pontja van folyékony és gáznemű vízzel 0,01 °C, 612 Pa, szilárd elemekkel - három -21,985 °C, 209,9 MPa, tizenegy és kettő -199,8 °C, 70 MPa, valamint - 34,7 °C, 212,9 MPa. A hatszögletű jég dielektromos állandója 97,5.
Ennek az elemnek az olvadási görbéjét MPa adja meg. Az állapotegyenletek mellett néhány egyszerű egyenlőtlenség is rendelkezésre áll, amelyek a fizikai tulajdonságok változását a hatszögletű jég és vizes szuszpenziói hőmérsékletéhez kötik. A keménység a gipsztől (≦2) vagy az alatti foktól ingadozik 0°C-on földpátig (6 Mohs) -80°C-on, ami abnormálisan nagy változás az abszolút keménységben (> 24-szer).
A jég hatszögletű kristályrácsa hatszögletű lemezeket és oszlopokat alkot, ahol a felső és alsó lapok az alapsíkok {0 0 0 1} 5,57 μJ cm entalpiával -2, és az ezzel egyenértékű oldalrészeket a prizma {1 0 -1 0} részeinek nevezzük 5, 94µJ cm -2. 6,90 ΜJ ˣ cm -2 szekunder felületek {1 1 -2 0} alakíthatók ki a szerkezetek oldalai által alkotott síkok mentén.
Egy ilyen szerkezet a hővezető képesség rendellenes csökkenését mutatja a nyomás növekedésével (valamint a kis sűrűségű köbös és amorf jég), de különbözik a legtöbb kristálytól. Ennek oka a hidrogénkötés megváltozása, ami csökkenti a hang keresztirányú sebességét a jég és víz kristályrácsában.
Léteznek olyan módszerek, amelyek leírják, hogyan készítsünk nagyméretű kristálymintákat és bármilyen kívánt jégfelületet. Feltételezzük, hogy a vizsgált hatszögletű test felületén a hidrogénkötés rendezettebb lesz, mint az ömlesztett rendszeren belül. A fázisrács frekvencia generálással végzett variációs spektroszkópia kimutatta, hogy a hatszögletű jég alapfelületének felszín alatti HO láncában szerkezeti aszimmetria van a két felső réteg (L1 és L2) között. Az átvett hidrogénkötések a hatszögek felső rétegeiben (L1 O ··· HO L2) erősebbek, mint a második rétegben elfogadottak a felső akkumulációhoz (L1 OH ··· O L2). Interaktív hatszögletű jégszerkezetek állnak rendelkezésre.
Fejlesztési szolgáltatások
A jégképződéshez szükséges vízmolekulák minimális száma körülbelül 275 ± 25, mint egy 280-as teljes ikozaéderhalmaznál. A képződés 10 10 levegő-víz interfész, és nem ömlesztett vízben. A jégkristályok növekedése a különböző növekedési sebességektől függenergiák. A biológiai minták, élelmiszerek és szervek mélyhűtése során a vizet védeni kell a fagytól.
Ez jellemzően gyors hűtési sebességgel, kis minták és kriokonzervátor használatával, valamint a jég magképződéséhez és a sejtkárosodás megelőzéséhez szükséges nyomás növelésével érhető el. A jég/folyadék szabadenergiája ~30 mJ/m2 atmoszférikus nyomáson 40 mJ/m-2-ra növekszik 200 MPa-nál, ami azt jelzi, hogy az oka ennek a hatásnak.
Milyen típusú kristályrács jellemző a jégre
Alternatív megoldásként gyorsabban nőhetnek a prizmafelületekről (S2), gyorsfagyott vagy felkavart tavak véletlenszerűen megbolygatott felszínén. A növekedés az {1 1 -2 0} lapoktól legalább ugyanannyi, de prizma alapokká alakítja őket. A jégkristály fejlődésére vonatkozó adatokat teljes körűen megvizsgálták. A különböző arcok elemeinek relatív növekedési üteme az ízületek nagyfokú hidratálásának képességétől függ. A környező víz hőmérséklete (alacsony) határozza meg az elágazás mértékét a jégkristályban. A részecskék növekedését a diffúziós sebesség korlátozza alacsony túlhűtési fokon, azaz <2 °C-on, így több lesz belőle.
De korlátozza a fejlődési kinetika magasabb, >4°C-os depressziós szinteknél, ami tűnövekedést eredményez. Ez a forma hasonló a szárazjég szerkezetéhez (hatszögletű kristályrácsa van), különfélefelszínfejlődés jellemzői és a környező (túlhűtött) víz hőmérséklete, amely a hópelyhek lapos formái mögött van.
A jégképződés a légkörben nagymértékben befolyásolja a felhők kialakulását és tulajdonságait. A sivatagi porban található földpátok, amelyek évente millió tonna mennyiségben kerülnek a légkörbe, fontos alkotók. Számítógépes szimulációk kimutatták, hogy ennek oka a prizmás jégkristálysíkok nagyenergiájú felületi síkjainak magolása.
Más elemek és rácsok
Az oldott anyagok (kivéve a nagyon kis héliumot és a hidrogént, amelyek bejuthatnak a hézagokba) légköri nyomáson nem tudnak bekerülni az Ih szerkezetbe, hanem kiszorulnak a felületre vagy az amorf rétegbe a részecskék között. mikrokristályos test. Vannak más elemek is a szárazjég rácshelyein: kaotróp ionok, például NH4 + és Cl -, amelyek a többi kozmotróp fagyasztónál könnyebben használhatók, mint például a Na + és SO42-, így ezek eltávolítása nem lehetséges, mivel a maradék folyadékból vékony filmréteget képeznek a kristályok között. Ez a felszín elektromos feltöltődéséhez vezethet a felszíni víz disszociációja miatt, kiegyensúlyozva a fennmaradó töltéseket (ami mágneses sugárzáshoz is vezethet), és a visszamaradó folyadékfilmek pH-értékének megváltozásához vezethet, pl. NH 42SO4 savasabb lesz, és a NaCl lúgosabb lesz.
Mérőlegesek az arcokrajégkristályrács, amely a következő réteget mutatja (feketén O atomokkal). Jellemzőjük a lassan növekvő alapfelület {0 0 0 1}, ahol csak izolált vízmolekulák kötődnek. Egy prizma gyorsan növekvő {1 0 -1 0} felülete, ahol az újonnan kapcsolódó részecskepárok hidrogénnel kapcsolódhatnak egymással (egy hidrogénkötés/egy elem két molekulája). A leggyorsabban növekvő felület a {1 1 -2 0} (másodlagos prizmás), ahol az újonnan kapcsolódó részecskék láncai hidrogénkötéssel kölcsönhatásba léphetnek egymással. Egyik lánca/elemmolekulája olyan bordákat képez, amelyek megosztják és elősegítik a prizma két oldalává történő átalakulást.
Nullapont entrópia
A következőképpen definiálható: S 0=k B ˣ Ln (N E0), ahol k B a Boltzmann-állandó, NE a konfigurációk száma az E energiánál, és E0 a legkisebb energia. Ez a hatszögletű jég entrópiája nulla kelvinnél nem sérti a termodinamika harmadik főtételét: „Az ideális kristály entrópiája abszolút nullán pontosan nulla”, mivel ezek az elemek és részecskék nem ideálisak, hanem rendezetlen hidrogénkötéssel rendelkeznek.
Ebben a testben a hidrogénkötés véletlenszerű és gyorsan változó. Ezek a struktúrák nem teljesen egyforma energiájúak, hanem nagyon sok energetikailag közeli állapotra terjednek ki, betartják a "jégszabályokat". A nullpont entrópia az a zavar, amely akkor is megmaradna, ha az anyagot abszolútra le lehetne hűteninulla (0 K=-273, 15 °C). Kísérleti zavart generál hatszögletű jég esetén 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Elméletileg az ismert jégkristályok nulla entrópiáját sokkal nagyobb pontossággal lehetne kiszámítani (a hibák és az energiaszint-szórás figyelmen kívül hagyásával), mint kísérletileg.
A tudósok és munkájuk ezen a területen
A következőképpen definiálható: S 0=k B ˣ Ln (N E0), ahol k B a Boltzmann-állandó, NE a konfigurációk száma az E energiánál, és E0 a legkisebb energia. Ez a hatszögletű jég entrópiája nulla kelvinnél nem sérti a termodinamika harmadik főtételét: „Az ideális kristály entrópiája abszolút nullán pontosan nulla”, mivel ezek az elemek és részecskék nem ideálisak, hanem rendezetlen hidrogénkötéssel rendelkeznek.
Ebben a testben a hidrogénkötés véletlenszerű és gyorsan változó. Ezek a struktúrák nem teljesen egyforma energiájúak, hanem nagyon sok energetikailag közeli állapotra terjednek ki, betartják a "jégszabályokat". A nullpont entrópia az a zavar, amely akkor is megmaradna, ha az anyagot abszolút nullára (0 K=-273,15 °C) le lehetne hűteni. Kísérleti zavart generál hatszögletű jég esetén 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Elméletileg az ismert jégkristályok nulla entrópiáját sokkal nagyobb pontossággal lehetne kiszámítani (a hibák és az energiaszint-szórás figyelmen kívül hagyásával), mint kísérletileg.
Bár az ömlesztett jég protonjainak sorrendje nem rendezett, a felszín valószínűleg előnyben részesíti e részecskék sorrendjét függő H-atomok és O-egypárok formájában (zéró entrópia rendezett hidrogénkötésekkel). Megtalálható a ZPE nullpont-rendellenesség, J ˣ mol -1 ˣ K -1 és mások. A fentiek mindegyikéből világos és érthető, hogy milyen típusú kristályrácsok jellemzőek a jégre.
