Trạng thái ba chiều của nước lỏng rất khó nghiên cứu, nhưng người ta đã học được nhiều điều bằng cách phân tích cấu trúc của các tinh thể băng. Bốn nguyên tử oxy tương tác với hydro lân cận chiếm các đỉnh của một tứ diện (tứ diện=bốn, hedron=mặt phẳng). Năng lượng trung bình cần thiết để phá vỡ một liên kết như vậy trong nước đá được ước tính là 23 kJ / mol-1.
Khả năng các phân tử nước tạo thành một số chuỗi hydro nhất định, cũng như một cường độ nhất định, tạo ra nhiệt độ nóng chảy cao bất thường. Khi nó tan chảy, nó được giữ lại bởi nước lỏng, cấu trúc của nó không đều. Hầu hết các liên kết hydro bị bóp méo. Cần một lượng lớn năng lượng dưới dạng nhiệt để phá vỡ mạng tinh thể của băng liên kết hydro.
Đặc điểm của sự xuất hiện của băng (Ih)
Nhiều người dân đang tự hỏi loại băng mạng tinh thể nào. Cần thiếtCần lưu ý rằng mật độ của hầu hết các chất tăng lên trong quá trình đóng băng, khi các chuyển động của phân tử chậm lại và các tinh thể dày đặc hình thành. Tỷ trọng của nước cũng tăng lên khi nó nguội đi tối đa ở 4 ° C (277K). Sau đó, khi nhiệt độ giảm xuống dưới giá trị này, nó sẽ nở ra.
Sự gia tăng này là do sự hình thành của một tinh thể băng mở, liên kết hydro với mạng tinh thể và mật độ thấp hơn của nó, trong đó mỗi phân tử nước được liên kết chặt chẽ bởi nguyên tố trên và bốn giá trị khác, đồng thời di chuyển đủ nhanh để có nhiều khối lượng hơn. Kể từ khi hành động này xảy ra, chất lỏng đóng băng từ trên xuống dưới. Điều này có những kết quả sinh học quan trọng, do đó lớp băng trên ao giúp cách ly chúng khỏi cái lạnh cực độ. Ngoài ra, hai tính chất bổ sung của nước có liên quan đến các đặc tính hydro của nó: nhiệt riêng và bay hơi.
Mô tả chi tiết cấu trúc
Tiêu chí đầu tiên là lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của 1 gam chất lên 1 ° C. Việc nâng cao độ của nước cần một nhiệt lượng tương đối lớn vì mỗi phân tử tham gia vào nhiều liên kết hydro phải bị phá vỡ để động năng tăng lên. Nhân tiện, sự phong phú của H2O trong tế bào và mô của tất cả các sinh vật đa bào lớn có nghĩa là sự dao động nhiệt độ bên trong tế bào được giảm thiểu. Đặc điểm này rất quan trọng, vì tốc độ của hầu hết các phản ứng sinh hóanhạy cảm.
Nhiệt hóa hơi của nước cũng cao hơn đáng kể so với nhiều chất lỏng khác. Cần phải có một lượng nhiệt lớn để chuyển hóa cơ thể này thành khí, vì các liên kết hydro phải bị phá vỡ để các phân tử nước tách khỏi nhau và đi vào giai đoạn nói trên. Các vật thể có thể thay đổi là các lưỡng cực vĩnh viễn và có thể tương tác với các hợp chất tương tự khác và các hợp chất ion hóa và hòa tan.
Các chất khác được đề cập ở trên chỉ có thể tiếp xúc khi có cực. Chính hợp chất này có liên quan đến cấu trúc của các nguyên tố này. Ngoài ra, nó có thể sắp xếp xung quanh các hạt này được hình thành từ chất điện phân, do đó các nguyên tử oxy âm của phân tử nước được định hướng đến các cation, và các ion dương và nguyên tử hydro được hướng tới các anion.
Trong chất rắn, theo quy luật, mạng tinh thể phân tử và mạng tinh thể nguyên tử được hình thành. Có nghĩa là, nếu iốt được xây dựng theo cách mà nó chứa I2,, thì trong carbon dioxide rắn, tức là, trong đá khô, các phân tử CO2 là nằm ở các nút mạng tinh thể. Khi tương tác với các chất tương tự, nước đá có mạng tinh thể ion. Ví dụ như than chì, có cấu trúc nguyên tử dựa trên cacbon, không thể thay đổi nó, giống như kim cương.
Điều gì sẽ xảy ra khi một tinh thể muối ăn hòa tan trong nước: các phân tử phân cực bị thu hút bởi các phần tử mang điện trong tinh thể, dẫn đến sự hình thành các hạt tương tự của natri và clorua trên bề mặt của nó, dẫn đến các phần tử nàybị lệch khỏi nhau, và nó bắt đầu hòa tan. Từ đây có thể quan sát thấy nước đá có mạng tinh thể với liên kết ion. Mỗi Na + hòa tan hút các đầu âm của một số phân tử nước, trong khi mỗi Cl hòa tan - hút các đầu dương. Vỏ bao quanh mỗi ion được gọi là khối cầu thoát và thường chứa nhiều lớp hạt dung môi.
Mạng tinh thể đá khô
Các biến thể hoặc một ion được bao quanh bởi các nguyên tố được cho là bị sunfat hóa. Khi dung môi là nước, các hạt như vậy được ngậm nước. Do đó, bất kỳ phân tử phân cực nào cũng có xu hướng bị hòa tan bởi các phần tử của thể lỏng. Trong nước đá khô, kiểu mạng tinh thể hình thành các liên kết nguyên tử ở trạng thái tập hợp, các liên kết này không thay đổi. Một thứ khác là nước đá kết tinh (nước đóng băng). Các hợp chất hữu cơ ion như carboxylase và các amin proton phải hòa tan trong các nhóm hydroxyl và carbonyl. Các hạt chứa trong cấu trúc như vậy di chuyển giữa các phân tử, và hệ thống phân cực của chúng tạo thành liên kết hydro với cơ thể này.
Tất nhiên, số lượng các nhóm được chỉ định cuối cùng trong phân tử ảnh hưởng đến khả năng hòa tan của nó, điều này cũng phụ thuộc vào phản ứng của các cấu trúc khác nhau trong nguyên tố: ví dụ, rượu một, hai và ba cacbon có thể trộn lẫn với nước, nhưng các hydrocacbon lớn hơn với các hợp chất hydroxyl đơn lẻ sẽ loãng hơn nhiều trong chất lỏng.
Ih lục giác có hình dạng tương tự nhưmạng tinh thể nguyên tử. Đối với băng và tất cả tuyết tự nhiên trên Trái đất, nó trông giống hệt như thế này. Điều này được chứng minh bằng sự đối xứng của mạng tinh thể của băng, được hình thành từ hơi nước (tức là những bông tuyết). Nó nằm trong nhóm vũ trụ P 63 / mm từ năm 194; D 6h, lớp Laue 6 / mm; tương tự như β-, có bội số là 6 trục xoắn (quay xung quanh và dịch chuyển dọc theo nó). Nó có cấu trúc mật độ thấp khá mở, nơi hiệu suất thấp (~ 1/3) so với cấu trúc hình khối đơn giản (~ 1/2) hoặc cấu trúc lập phương tâm mặt (~ 3/4).
So với nước đá thông thường, mạng tinh thể của đá khô, được liên kết bởi các phân tử CO2, là tĩnh và chỉ thay đổi khi các nguyên tử phân rã.
Mô tả lưới và các yếu tố của chúng
Crystals có thể được xem như các mô hình tinh thể, bao gồm các tấm được đặt bên trên tấm kia. Liên kết hydro được sắp xếp theo thứ tự, trong khi thực tế là ngẫu nhiên, vì các proton có thể di chuyển giữa các phân tử nước (nước đá) ở nhiệt độ trên khoảng 5 K. Điều này được tăng cường bởi sự tán xạ của neutron, cho thấy mật độ tán xạ của chúng ở một nửa giữa các nguyên tử oxy, cho thấy sự cục bộ hóa và chuyển động phối hợp. Ở đây có sự tương đồng của nước đá với mạng tinh thể nguyên tử, phân tử.
Các phân tử có sự sắp xếp so le trong chuỗi hydrođối với ba người hàng xóm của nó trong máy bay. Nguyên tố thứ tư có sự sắp xếp liên kết hydro bị lu mờ. Có một độ lệch nhỏ so với đối xứng lục giác hoàn hảo, vì ô đơn vị ngắn hơn 0,3% theo hướng của chuỗi này. Tất cả các phân tử đều trải qua những môi trường phân tử giống nhau. Có đủ không gian bên trong mỗi "hộp" để chứa các hạt nước ở kẽ. Mặc dù thường không được xem xét, nhưng chúng gần đây đã được phát hiện một cách hiệu quả bằng nhiễu xạ nơtron của mạng tinh thể bột của băng.
Thay đổi Chất
Thân hình lục giác có ba điểm chứa nước lỏng và khí 0,01 ° C, 612 Pa, các phần tử rắn - ba -21,985 ° C, 209,9 MPa, 11 và hai -199,8 ° C, 70 MPa, cũng như - 34,7 ° C, 212,9 MPa. Hằng số điện môi của băng lục giác là 97,5.
Đường cong nóng chảy của nguyên tố này được đưa ra bởi MPa. Ngoài ra, các phương trình trạng thái có sẵn, một số bất đẳng thức đơn giản liên quan đến sự thay đổi tính chất vật lý với nhiệt độ của băng lục giác và huyền phù nước của nó. Độ cứng dao động theo độ tăng từ hoặc thấp hơn thạch cao (≦ 2) ở 0 ° C đến fenspat (6 Mohs) ở -80 ° C, một sự thay đổi lớn bất thường về độ cứng tuyệt đối (> 24 lần).
Mạng tinh thể lục giác của băng tạo thành các mảng và cột lục giác, trong đó mặt trên và mặt dưới là mặt phẳng cơ sở {0 0 0 1} với entanpi là 5,57 μJ cm-2 và các phần bên tương đương khác được gọi là các phần của lăng trụ {1 0 -1 0} với 5, 94µJ cm-2. Các bề mặt thứ cấp {1 1 -2 0} với 6,90 ΜJ ˣ cm-2có thể được hình thành dọc theo các mặt phẳng được tạo thành bởi các mặt của cấu trúc.
Cấu trúc như vậy cho thấy sự giảm độ dẫn nhiệt bất thường khi tăng áp suất (cũng như băng khối và vô định hình có tỷ trọng thấp), nhưng khác với hầu hết các tinh thể. Điều này là do sự thay đổi trong liên kết hydro, làm giảm tốc độ truyền âm thanh trong mạng tinh thể của nước đá và nước.
Có các phương pháp mô tả cách chuẩn bị các mẫu tinh thể lớn và bất kỳ bề mặt băng nào mong muốn. Giả thiết rằng liên kết hydro trên bề mặt của vật thể lục giác đang được nghiên cứu sẽ có trật tự hơn so với bên trong hệ thống khối. Quang phổ biến thiên với sự tạo tần số mạng pha-pha đã chỉ ra rằng có sự bất đối xứng về cấu trúc giữa hai lớp trên (L1 và L2) trong chuỗi HO dưới bề mặt của bề mặt cơ bản của băng lục giác. Các liên kết hydro được chấp nhận ở các lớp trên của hình lục giác (L1 O ·· HO L2) mạnh hơn so với các liên kết được chấp nhận trong lớp thứ hai ở phần tích tụ phía trên (L1 OH ·· O L2). Các cấu trúc băng hình lục giác tương tác có sẵn.
Tính năng phát triển
Số lượng phân tử nước tối thiểu cần thiết để tạo thành băng là khoảng 275 ± 25, đối với một cụm tứ diện hoàn chỉnh là 280. Sự hình thành xảy ra với tốc độ 1010ở giao diện không khí-nước và không phải trong nước khối. Sự phát triển của các tinh thể băng phụ thuộc vào tốc độ phát triển khác nhau của cácnăng lượng. Nước phải được bảo vệ khỏi bị đóng băng khi bảo quản lạnh các mẫu vật sinh học, thực phẩm và nội tạng.
Điều này thường đạt được nhờ tốc độ làm lạnh nhanh, sử dụng các mẫu nhỏ và máy làm lạnh, đồng thời tăng áp suất để tạo hạt nhân đá và ngăn ngừa tổn thương tế bào. Năng lượng tự do của nước đá / chất lỏng tăng từ ~ 30 mJ / m2ở áp suất khí quyển lên 40 mJ / m-2ở 200 MPa, cho thấy lý do tại sao hiệu ứng này xảy ra.
Loại mạng tinh thể nào là đặc trưng của nước đá
Ngoài ra, chúng có thể phát triển nhanh hơn từ các bề mặt lăng kính (S2), trên bề mặt xáo trộn ngẫu nhiên của các hồ đông nhanh hoặc bị kích động. Sự phát triển từ các mặt {1 1 -2 0} ít nhất là như nhau, nhưng biến chúng thành các đáy của lăng trụ. Dữ liệu về sự phát triển của tinh thể băng đã được điều tra đầy đủ. Tốc độ tăng trưởng tương đối của các phần tử có các mặt khác nhau phụ thuộc vào khả năng hình thành mức độ hydrat hóa khớp lớn. Nhiệt độ (thấp) của nước xung quanh xác định mức độ phân nhánh trong tinh thể băng. Sự phát triển của hạt bị hạn chế bởi tốc độ khuếch tán ở mức độ siêu lạnh thấp, tức là <2 ° C, dẫn đến nhiều hạt hơn.
Nhưng bị giới hạn bởi động học phát triển ở mức cao hơn của độ trầm cảm là >4 ° C, dẫn đến sự phát triển của kim. Hình dạng này tương tự như cấu trúc của đá khô (có mạng tinh thể với cấu trúc hình lục giác), đa dạngđặc điểm của sự phát triển bề mặt và nhiệt độ của nước (siêu lạnh) xung quanh, đằng sau các hình dạng phẳng của bông tuyết.
Sự hình thành băng trong khí quyển ảnh hưởng sâu sắc đến sự hình thành và tính chất của mây. Fenspat, được tìm thấy trong bụi sa mạc xâm nhập vào khí quyển với hàng triệu tấn mỗi năm, là chất rèn quan trọng. Các mô phỏng trên máy tính đã chỉ ra rằng điều này là do sự tạo mầm của các mặt phẳng tinh thể băng hình lăng trụ trên các mặt phẳng bề mặt năng lượng cao.
Một số phần tử và mạng khác
Các chất hòa tan (ngoại trừ heli và hydro rất nhỏ, có thể đi vào các kẽ) không thể được đưa vào cấu trúc Ih ở áp suất khí quyển, nhưng bị ép ra bề mặt hoặc lớp vô định hình giữa các hạt của cơ thể vi tinh thể. Có một số nguyên tố khác tại các vị trí mạng tinh thể của đá khô: các ion đẳng hướng như NH4+và Cl-được bao gồm ở dạng đông đặc lỏng nhẹ hơn so với các chất thiên hướng vũ trụ khác như Na+và SO42-, vì vậy việc loại bỏ chúng là không thể do thực tế là chúng tạo thành một màng mỏng chất lỏng còn lại giữa các tinh thể. Điều này có thể dẫn đến sự tích điện của bề mặt do sự phân ly của nước bề mặt làm cân bằng các điện tích còn lại (cũng có thể dẫn đến bức xạ từ) và sự thay đổi độ pH của màng chất lỏng còn lại, ví dụ NH42SO4trở nên axit hơn và NaCl trở nên bazơ hơn.
Chúng vuông góc với các mặtmạng tinh thể của nước đá có lớp tiếp theo gắn vào (có nguyên tử O màu đen). Chúng được đặc trưng bởi bề mặt cơ bản phát triển chậm {0 0 0 1}, nơi chỉ gắn các phân tử nước cô lập. Bề mặt {1 0 -1 0} của lăng kính đang phát triển nhanh chóng, nơi các cặp hạt mới đính kèm có thể liên kết với nhau bằng hydro (một liên kết hydro / hai phân tử của một nguyên tố). Mặt phát triển nhanh nhất là {1 1 -2 0} (hình lăng trụ thứ cấp), nơi các chuỗi hạt mới gắn có thể tương tác với nhau bằng liên kết hydro. Một trong những chuỗi / phân tử nguyên tố của cô ấy là một dạng tạo thành các đường gờ phân chia và khuyến khích sự biến đổi thành hai mặt của lăng kính.
Entropy điểm không
Có thể được định nghĩa là S0=kBˣ Ln (NE0), trong đó k B là hằng số Boltzmann, NElà số cấu hình ở năng lượng E, và E0 là năng lượng thấp nhất. Giá trị này đối với entropi của băng lục giác ở 0 Kelvin không vi phạm định luật thứ ba của nhiệt động lực học "Entropy của một tinh thể lý tưởng ở độ không tuyệt đối chính xác là không", vì các nguyên tố và hạt này không phải là lý tưởng, có liên kết hydro bị rối loạn.
Trong cơ thể này, liên kết hydro là ngẫu nhiên và thay đổi nhanh chóng. Những cấu trúc này không hoàn toàn bằng nhau về năng lượng, nhưng mở rộng đến một số lượng rất lớn các trạng thái gần nhau về mặt năng lượng, tuân theo "quy luật của băng". Entropy điểm 0 là rối loạn vẫn tồn tại ngay cả khi vật liệu có thể được làm lạnh đến tuyệt đốikhông (0 K=-273, 15 ° C). Tạo ra sự nhầm lẫn thực nghiệm cho băng lục giác 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol-1ˣ K-1. Về mặt lý thuyết, có thể tính toán entropy bằng không của các tinh thể băng đã biết với độ chính xác cao hơn nhiều (bỏ qua các khuyết tật và sự lan truyền mức năng lượng) so với xác định bằng thực nghiệm.
Các nhà khoa học và công việc của họ trong lĩnh vực này
Có thể được định nghĩa là S0=kBˣ Ln (NE0), trong đó k B là hằng số Boltzmann, NElà số cấu hình ở năng lượng E, và E0 là năng lượng thấp nhất. Giá trị này đối với entropi của băng lục giác ở 0 Kelvin không vi phạm định luật thứ ba của nhiệt động lực học "Entropy của một tinh thể lý tưởng ở độ không tuyệt đối chính xác là không", vì các nguyên tố và hạt này không phải là lý tưởng, có liên kết hydro bị rối loạn.
Trong cơ thể này, liên kết hydro là ngẫu nhiên và thay đổi nhanh chóng. Những cấu trúc này không hoàn toàn bằng nhau về năng lượng, nhưng mở rộng đến một số lượng rất lớn các trạng thái gần nhau về mặt năng lượng, tuân theo "quy luật của băng". Entropy điểm 0 là rối loạn vẫn tồn tại ngay cả khi vật liệu có thể được làm lạnh đến không tuyệt đối (0 K=-273,15 ° C). Tạo ra sự nhầm lẫn thực nghiệm cho băng lục giác 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol-1ˣ K-1. Về mặt lý thuyết, có thể tính toán entropy bằng không của các tinh thể băng đã biết với độ chính xác cao hơn nhiều (bỏ qua các khuyết tật và sự lan truyền mức năng lượng) so với xác định bằng thực nghiệm.
Mặc dù thứ tự của các proton trong băng khối lớn không được sắp xếp theo thứ tự, nhưng bề mặt có lẽ thích thứ tự của các hạt này ở dạng dải treo các nguyên tử H và các cặp O (entropi bằng không với các liên kết hydro có thứ tự). Rối loạn điểm 0 ZPE, J ˣ mol-1ˣ K-1và những thứ khác được tìm thấy. Từ tất cả những điều trên, có thể hiểu rõ ràng và hiểu được loại mạng tinh thể nào là đặc điểm của nước đá.
