Nestemäisen veden kolmiulotteista tilaa on vaikea tutkia, mutta paljon on opittu analysoimalla jääkiteiden rakennetta. Neljä vierekkäistä vedyn kanssa vuorovaikutteista happiatomia miehittää tetraedrin kärjet (tetra=neljä, hedron=taso). Keskimääräinen energia, joka tarvitaan katkaisemaan tällainen sidos jäässä, on arviolta 23 kJ/mol-1.
Vesimolekyylien kyky muodostaa tietty määrä vetyketjuja sekä tietty vahvuus luo epätavallisen korkean sulamispisteen. Kun se sulaa, sitä pidättelee nestemäinen vesi, jonka rakenne on epäsäännöllinen. Suurin osa vetysidoksista on vääristynyt. Vetysidoksessa olevan jään kidehilan rikkomiseen tarvitaan suuri määrä energiaa lämmön muodossa.
Jään ulkonäön piirteet (Ih)
Monet asukkaista ihmettelevät, millainen kidehila jäällä on. VälttämätönOn huomattava, että useimpien aineiden tiheys kasvaa jäätymisen aikana, kun molekyyliliikkeet hidastuvat ja muodostuu tiheästi pakattuja kiteitä. Myös veden tiheys kasvaa, kun se jäähtyy maksimissaan 4°C:ssa (277K). Sitten, kun lämpötila laskee tämän arvon alapuolelle, se laajenee.
Tämä lisäys johtuu avoimen, vetysidoksella sidotun jääkiteen muodostumisesta, jossa on hila ja pienempi tiheys ja jossa jokainen vesimolekyyli on jäykästi sidottu yllä olevaan alkuaineeseen ja neljään muuhun arvoon, samalla kun se liikkuu riittävän nopeasti on enemmän massaa. Koska tämä toiminta tapahtuu, neste jäätyy ylhäältä alas. Tällä on tärkeitä biologisia seurauksia, joiden seurauksena lammen jääkerros eristää eläviä olentoja äärimmäisiltä kylmiltä. Lisäksi veden kaksi muuta ominaisuutta liittyvät sen vetyominaisuuksiin: ominaislämpö ja haihtuminen.
Rakenteiden yksityiskohtainen kuvaus
Ensimmäinen kriteeri on määrä, joka tarvitaan nostamaan 1 gramman ainetta lämpötilaa 1 °C:lla. Veden asteiden nostaminen vaatii suhteellisen paljon lämpöä, koska jokainen molekyyli on mukana lukuisissa vetysidoksissa, jotka täytyy rikkoa, jotta liike-energia kasvaa. Muuten, H2O:n runsaus kaikkien suurten monisoluisten organismien soluissa ja kudoksissa tarkoittaa, että lämpötilan vaihtelut solujen sisällä ovat minimoituja. Tämä ominaisuus on ratkaiseva, koska useimpien biokemiallisten reaktioiden nopeusherkkä.
Veden höyrystymislämpö on myös huomattavasti korkeampi kuin monien muiden nesteiden. Tämän kappaleen muuttamiseen kaasuksi tarvitaan suuri määrä lämpöä, koska vetysidokset täytyy katkaista, jotta vesimolekyylit siirtyvät pois toisistaan ja pääsevät mainittuun faasiin. Vaihtuvat kappaleet ovat pysyviä dipoleja ja voivat olla vuorovaikutuksessa muiden vastaavien yhdisteiden sekä ionisoituvien ja liukenevien yhdisteiden kanssa.
Muut yllä mainitut aineet voivat joutua kosketuksiin vain, jos niissä on napaisuutta. Tämä yhdiste on mukana näiden elementtien rakenteessa. Lisäksi se voi asettua näiden elektrolyyteistä muodostuvien hiukkasten ympärille siten, että vesimolekyylien negatiiviset happiatomit ovat suuntautuneet kationeihin ja positiiviset ionit ja vetyatomit anioneihin.
Kiinteissä aineissa muodostuu yleensä molekyylikidehiloja ja atomikiteitä. Eli jos jodi on rakennettu siten, että se sisältää I2, , niin kiinteässä hiilidioksidissa eli kuivajäässä CO2-molekyylit ovat sijaitsee kidehilan solmuissa . Vuorovaikutuksessa samanlaisten aineiden kanssa jäällä on ionikidehila. Esimerkiksi grafiitti, jonka atomirakenne perustuu hiileen, ei pysty muuttamaan sitä, kuten timantti.
Mitä tapahtuu, kun ruokasuolan kide liukenee veteen: polaariset molekyylit houkuttelevat kiteen varautuneita elementtejä, mikä johtaa samank altaisten natrium- ja kloridihiukkasten muodostumiseen sen pinnalle, jolloin syntyy näitä kappaleitairtoavat toisistaan, ja se alkaa hajota. Tästä voidaan havaita, että jäässä on kidehila, jossa on ionisidos. Jokainen liuennut Na + vetää puoleensa useiden vesimolekyylien negatiivisia päitä, kun taas jokainen liuennut Cl - vetää puoleensa positiivisia päitä. Kutakin ionia ympäröivää kuorta kutsutaan pakopalloksi, ja se sisältää yleensä useita kerroksia liuotinhiukkasia.
Kuivajääkidehila
Muuttujat tai elementtien ympäröimän ionin sanotaan olevan sulfatoituneita. Kun liuotin on vesi, tällaiset hiukkaset hydratoituvat. Siten mikä tahansa polaarinen molekyyli pyrkii solvatoitumaan nestemäisen kappaleen elementtien toimesta. Kuivajäässä kidehilan tyyppi muodostaa aggregoituneessa tilassa atomisidoksia, jotka ovat muuttumattomia. Toinen asia on kiteinen jää (jäätynyt vesi). Ionisten orgaanisten yhdisteiden, kuten karboksylaasin ja protonoitujen amiinien, on oltava liukoisia hydroksyyli- ja karbonyyliryhmiin. Tällaisten rakenteiden sisältämät hiukkaset liikkuvat molekyylien välillä, ja niiden polaariset järjestelmät muodostavat vetysidoksia tämän kappaleen kanssa.
Tietenkin molekyylin viimeisten ilmoitettujen ryhmien lukumäärä vaikuttaa sen liukoisuuteen, mikä riippuu myös elementin eri rakenteiden reaktiosta: esimerkiksi yhden, kahden ja kolmen hiilipitoiset alkoholit sekoittuvat vedellä, mutta suuremmat hiilivedyt yksittäisten hydroksyyliyhdisteiden kanssa ovat paljon vähemmän laimeaa nesteisiin.
Hexagonal Ih on muodoltaan samanlainen kuinatomikidehila. Jäälle ja kaikelle maan luonnonlumelle se näyttää täsmälleen tältä. Tämän todistaa vesihöyrystä (eli lumihiutaleista) kasvaneen jääkidehilan symmetria. Se on avaruusryhmässä P 63/mm alkaen 194; D 6h, Laue-luokka 6/mm; samanlainen kuin β-, jossa on 6 kierteisen akselin kerrannainen (kierto pyörimisen lisäksi siirtymisen sitä pitkin). Siinä on melko avoin matalatiheyksinen rakenne, jossa hyötysuhde on alhainen (~1/3) verrattuna yksinkertaisiin kuutiorakenteisiin (~1/2) tai pintakeskittyneisiin kuutiorakenteisiin (~3/4).
Tavalliseen jäähän verrattuna CO2-molekyylien sitoma kuivajään kidehila on staattinen ja muuttuu vain atomien hajoaessa.
Räleikköjen ja niiden elementtien kuvaus
Kiteet voidaan nähdä kidemalleina, jotka koostuvat päällekkäin sijoitetuista levyistä. Vetysidos on järjestynyt, vaikka todellisuudessa se on satunnainen, koska protonit voivat liikkua vesi- (jää)molekyylien välillä yli noin 5 K:n lämpötiloissa. Onkin todennäköistä, että protonit käyttäytyvät kvanttinesteen tavoin jatkuvassa tunnelivirtauksessa. Tätä tehostaa neutronien sironta, joka osoittaa niiden sirontatiheyden happiatomien puolivälissä, mikä osoittaa lokalisaatiota ja yhtenäistä liikettä. Tässä on jään samank altaisuus atomien, molekyylien kidehilan kanssa.
Molekyyleillä on vetyketjun porrastettu järjestelysuhteessa sen kolmeen naapuriin koneessa. Neljännessä elementissä on peitetty vetysidosjärjestely. Täydellisestä kuusikulmaisesta symmetriasta on pieni poikkeama, koska yksikkökenno on 0,3 % lyhyempi tämän ketjun suunnassa. Kaikki molekyylit kokevat saman molekyyliympäristön. Jokaisen "laatikon" sisällä on tarpeeksi tilaa välivesihiukkasten säilyttämiseksi. Vaikka niitä ei yleisesti oteta huomioon, ne on viime aikoina havaittu tehokkaasti jään jauhemaisen kidehilan neutronidiffraktiolla.
Aineiden vaihtaminen
Kuusikulmaisessa rungossa on kolmipisteet nestemäisen ja kaasumaisen veden kanssa 0,01 °C, 612 Pa, kiinteitä elementtejä - kolme -21,985 °C, 209,9 MPa, yksitoista ja kaksi -199,8 °C, 70 MPa sekä - 34,7 °C, 212,9 MPa. Kuusikulmaisen jään dielektrisyysvakio on 97,5.
Tämän alkuaineen sulamiskäyrä saadaan arvolla MPa. Tilayhtälöistä on saatavilla niiden lisäksi muutamia yksinkertaisia epäyhtälöjä, jotka liittyvät fysikaalisten ominaisuuksien muuttumiseen kuusikulmainen jään ja sen vesipitoisten suspensioiden lämpötilaan. Kovuus vaihtelee kipsistä (≦2) tai sen alapuolelle 0°C:ssa maasälpää (6 Mohs) -80°C:ssa, mikä on epätavallisen suuri muutos absoluuttisessa kovuudessa (> 24 kertaa).
Jän kuusikulmainen kidehila muodostaa kuusikulmiolevyjä ja pylväitä, joissa ylä- ja alapinnat ovat perustasoja {0 0 0 1}, joiden entalpia on 5,57 μJ cm -2ja muita vastaavia sivuosia kutsutaan prisman osiksi {1 0 -1 0} ja 5, 94µJ cm -2. Toissijaiset pinnat {1 1 -2 0} 6,90 ΜJ ˣ cm -2 voidaan muodostaa rakenteiden sivujen muodostamia tasoja pitkin.
Tällainen rakenne osoittaa poikkeavaa lämmönjohtavuuden laskua paineen kasvaessa (samoin kuin kuutiomainen ja amorfinen jää, jonka tiheys on pieni), mutta eroaa useimmista kiteistä. Tämä johtuu vetysidoksen muutoksesta, joka vähentää äänen poikittaisnopeutta jään ja veden kidehilassa.
On olemassa menetelmiä, jotka kuvaavat suurten kidenäytteiden ja minkä tahansa halutun jääpinnan valmistamista. Oletetaan, että vetysidos tutkittavan kuusikulmaisen kappaleen pinnalla on järjestyneempi kuin bulkkijärjestelmän sisällä. Vaihtospektroskopia vaihehilataajuuden generoinnilla on osoittanut, että kahden ylemmän kerroksen (L1 ja L2) välillä on rakenteellista epäsymmetriaa kuusikulmaisen jään peruspinnan pinnan alla olevassa HO-ketjussa. Hyväksytyt vetysidokset kuusikulmioiden ylemmissä kerroksissa (L1 O ··· HO L2) ovat vahvempia kuin ne, jotka on hyväksytty toisessa kerroksessa ylempään akkumulaatioon (L1 OH ··· O L2). Interaktiivisia kuusikulmaisia jäärakenteita saatavilla.
Kehitysominaisuudet
Jän muodostamiseen tarvittavien vesimolekyylien vähimmäismäärä on noin 275 ± 25, kuten 280:n täydellisessä ikosaedriseässä. Muodostumista tapahtuu nopeudella 10 10 ilma-vesi -rajapinta eikä bulkkivedessä. Jääkiteiden kasvu riippuu erilaisten kasvunopeuksistaenergiat. Vesi on suojattava jäätymiseltä, kun biologisia näytteitä, elintarvikkeita ja elimiä kylmäsäilyttää.
Tämä saavutetaan tyypillisesti nopeilla jäähdytysnopeuksilla, käyttämällä pieniä näytteitä ja kryokonservaattoria sekä lisäämällä painetta jään ydintämiseksi ja soluvaurioiden estämiseksi. Jään/nesteen vapaa energia kasvaa ~30 mJ/m2 ilmakehän paineessa arvoon 40 mJ/m-2 200 MPa:ssa, mikä osoittaa syy tämän vaikutuksen esiintymiseen.
Millainen kidehila on ominaista jäälle
Vaihtoehtoisesti ne voivat kasvaa nopeammin prisman pinnoilta (S2), jäätyneiden tai kiihtyneiden järvien satunnaisesti häirityillä pinnoilla. Kasvu {1 1 -2 0} pinnoilta on vähintään sama, mutta muuttaa ne prismapohjaksi. Tiedot jääkiteen kehityksestä on tutkittu täysin. Eri kasvojen elementtien suhteellinen kasvunopeus riippuu kyvystä muodostaa suuri nivelneste. Ympäröivän veden lämpötila (matala) määrää jääkiteen haarautumisasteen. Hiukkasten kasvua rajoittaa diffuusionopeus alhaisella alijäähdytysasteella, eli <2 °C:ssa, jolloin hiukkasia syntyy enemmän.
Mutta rajoittuu kehityskinetiikkaan korkeammilla >4°C:n masennustasoilla, mikä johtaa neulojen kasvuun. Tämä muoto on samanlainen kuin kuivajään rakenne (sillä on kidehila, jossa on kuusikulmainen rakenne), erilaisiapinnan kehityksen ominaisuudet ja ympäröivän (ylijäähtyneen) veden lämpötila, joka on lumihiutaleiden litteiden muotojen takana.
Jän muodostuminen ilmakehässä vaikuttaa syvästi pilvien muodostumiseen ja ominaisuuksiin. Maasälpät, joita löytyy aavikon pölystä, jota pääsee ilmakehään miljoonia tonneja vuodessa, ovat tärkeitä muodostajia. Tietokonesimulaatiot ovat osoittaneet, että tämä johtuu prismaattisten jääkidetasojen ydintymisestä korkeaenergisille pintatasoille.
Joitakin muita elementtejä ja hiloja
Liuenneet aineet (lukuun ottamatta hyvin pientä heliumia ja vetyä, jotka voivat päästä rakoihin) eivät pääse sisälle Ih-rakenteeseen ilmanpaineessa, vaan ne pakotetaan ulos pintaan tai amorfiseen kerrokseen hiukkasten välissä. mikrokiteinen runko. Kuivajään hilakohdissa on joitain muita alkuaineita: kaotrooppisia ioneja, kuten NH4 + ja Cl -, jotka sisältyvät kevyempään nestepakastukseen kuin muut kosmotrooppiset, kuten Na + ja SO42-, joten niiden poistaminen ei ole mahdollista, koska ne muodostavat ohuen kalvon jäljellä olevasta nesteestä kiteiden väliin. Tämä voi johtaa pinnan sähköiseen varautumiseen pintaveden dissosioitumisen vuoksi, joka tasapainottaa jäljellä olevia varauksia (joka voi myös johtaa magneettiseen säteilyyn) ja jäännösnestekalvojen pH:n muutokseen, esim. NH 42SO4 muuttuu happamammaksi ja NaCl:sta emäksisempään.
Ne ovat kohtisuorassa kasvoja vastaanjääkidehila, jossa näkyy seuraava kerros kiinnittyneenä (O-atomit mustina). Niille on ominaista hitaasti kasvava peruspinta {0 0 0 1}, johon on kiinnittynyt vain eristettyjä vesimolekyylejä. Prisman nopeasti kasvava {1 0 -1 0}-pinta, jossa vastikään kiinnittyneiden hiukkasten parit voivat sitoutua toisiinsa vedyn avulla (yksi vetysidos / kaksi elementin molekyyliä). Nopeimmin kasvava pinta on {1 1 -2 0} (sekundaarinen prismaattinen), jossa juuri kiinnittyneiden hiukkasten ketjut voivat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa vetysidoksella. Yksi hänen ketjuistaan/elementtimolekyylistään on muoto, joka muodostaa harjanteita, jotka jakavat ja kannustavat muuttumaan prisman kahdeksi sivuksi.
Nollapisteentropia
Voidaan määritellä muodossa S 0=k B ˣ Ln (N E0), missä k B on Boltzmannin vakio, NE on konfiguraatioiden lukumäärä energialla E ja E0 on pienin energia. Tämä kuusikulmaisen jään entropian arvo nolla Kelvinissä ei riko termodynamiikan kolmatta pääsääntöä "Ihanteellisen kiteen entropia absoluuttisessa nollapisteessä on täsmälleen nolla", koska nämä alkuaineet ja hiukkaset eivät ole ihanteellisia, vaan niillä on epäjärjestynyt vetysidos.
Tässä kappaleessa vetysidos on satunnainen ja muuttuu nopeasti. Nämä rakenteet eivät ole energi altaan täsmälleen samanarvoisia, vaan ulottuvat hyvin suureen määrään energeettisesti läheisiä tiloja, noudattavat "jään sääntöjä". Nollapisteentropia on häiriö, joka säilyisi, vaikka materiaali voitaisiin jäähdyttää absoluuttiseksinolla (0 K=-273, 15 °C). Luo kokeellisen hämmennyksen kuusikulmaiselle jäälle 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Teoreettisesti olisi mahdollista laskea tunnettujen jääkiteiden nollaentropia paljon suuremmalla tarkkuudella (virheitä ja energiatason leviämistä huomioimatta) kuin määrittää se kokeellisesti.
Tutkijat ja heidän työnsä tällä alalla
Voidaan määritellä muodossa S 0=k B ˣ Ln (N E0), missä k B on Boltzmannin vakio, NE on konfiguraatioiden lukumäärä energialla E ja E0 on pienin energia. Tämä kuusikulmaisen jään entropian arvo nolla Kelvinissä ei riko termodynamiikan kolmatta pääsääntöä "Ihanteellisen kiteen entropia absoluuttisessa nollapisteessä on täsmälleen nolla", koska nämä alkuaineet ja hiukkaset eivät ole ihanteellisia, vaan niillä on epäjärjestynyt vetysidos.
Tässä kappaleessa vetysidos on satunnainen ja muuttuu nopeasti. Nämä rakenteet eivät ole energi altaan täsmälleen samanarvoisia, vaan ulottuvat hyvin suureen määrään energeettisesti läheisiä tiloja, noudattavat "jään sääntöjä". Nollapisteentropia on häiriö, joka säilyisi, vaikka materiaali voitaisiin jäähdyttää absoluuttiseen nollaan (0 K=-273,15 °C). Luo kokeellisen hämmennyksen kuusikulmaiselle jäälle 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Teoreettisesti olisi mahdollista laskea tunnettujen jääkiteiden nollaentropia paljon suuremmalla tarkkuudella (virheitä ja energiatason leviämistä huomioimatta) kuin määrittää se kokeellisesti.
Vaikka protonien järjestys bulkkijäässä ei ole järjestynyt, pinta todennäköisesti suosii näiden hiukkasten järjestystä riippuvien H-atomien vyöhykkeiden ja O-yksittäisten parien muodossa (nolla entropia järjestetyillä vetysidoksilla). Nollapistehäiriö ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 ja muita löytyy. Kaikesta yllä olevasta on selvää ja ymmärrettävää, minkä tyyppiset kidehilat ovat ominaisia jäälle.
