Vedela vee kolmemõõtmelist olekut on raske uurida, kuid jääkristallide struktuuri analüüsides on palju teada saadud. Neli külgnevat vesinikuga interakteeruvat hapnikuaatomit hõivavad tetraeedri tipud (tetra=neli, eeder=tasapind). Sellise jääs oleva sideme purustamiseks kuluv keskmine energia on hinnanguliselt 23 kJ/mol-1.
Veemolekulide võime moodustada etteantud arvu vesinikuahelaid, samuti teatud tugevusega, loob ebatavaliselt kõrge sulamistemperatuuri. Kui see sulab, hoiab seda vedel vesi, mille struktuur on ebakorrapärane. Enamik vesiniksidemeid on moonutatud. Vesiniksidemega jää kristallvõre purustamiseks kulub palju energiat soojuse kujul.
Jää välimuse tunnused (Ih)
Paljud elanikud mõtlevad, milline kristallvõre jääl on. VajalikTuleb märkida, et enamiku ainete tihedus suureneb külmumisel, mil molekulide liikumised aeglustuvad ja tekivad tihed alt pakitud kristallid. Samuti suureneb vee tihedus, kui see jahtub maksimaalselt temperatuuril 4 °C (277 K). Kui temperatuur langeb alla selle väärtuse, siis see laieneb.
See suurenemine on tingitud avatud, vesiniksidemega jääkristalli moodustumisest selle võre ja väiksema tihedusega, milles iga veemolekul on jäig alt seotud ül altoodud elemendi ja nelja muu väärtusega, liikudes samal ajal piisav alt kiiresti, et on rohkem massi. Kuna see toiming toimub, külmub vedelik ül alt alla. Sellel on olulised bioloogilised tulemused, mille tulemusena isoleerib tiigil olev jääkiht elusolendeid äärmusliku külma eest. Lisaks on vee kaks lisaomadust seotud selle vesiniku omadustega: erisoojus ja aurustumine.
Struktuuride üksikasjalik kirjeldus
Esimene kriteerium on kogus, mis on vajalik 1 grammi aine temperatuuri tõstmiseks 1 °C võrra. Vee kraadide tõstmine nõuab suhteliselt palju soojust, sest iga molekul on seotud arvukate vesiniksidemetega, mis tuleb kineetilise energia suurenemiseks katkestada. Muide, H2O arvukus kõigi suurte hulkraksete organismide rakkudes ja kudedes tähendab, et temperatuurikõikumised rakkude sees on viidud miinimumini. See omadus on enamiku biokeemiliste reaktsioonide kiiruse tõttu üliolulinetundlik.
Vee aurustumissoojus on samuti oluliselt kõrgem kui paljudel teistel vedelikel. Selle keha gaasiks muutmiseks on vaja palju soojust, sest selleks, et veemolekulid saaksid teineteisest paigast nihkuda ja nimetatud faasi siseneda, peavad katkema vesiniksidemed. Muutuvad kehad on püsivad dipoolid ja võivad suhelda teiste sarnaste ühenditega ning nendega, mis ioniseerivad ja lahustuvad.
Teised ülalnimetatud ained võivad kokku puutuda ainult polaarsuse olemasolul. Just see ühend osaleb nende elementide struktuuris. Lisaks võib see joonduda nende elektrolüütidest moodustunud osakeste ümber, nii et veemolekulide negatiivsed hapnikuaatomid on orienteeritud katioonidele ning positiivsed ioonid ja vesinikuaatomid anioonidele.
Tahketes ainetes tekivad reeglina molekulaarsed kristallvõred ja aatomvõred. See tähendab, et kui jood on ehitatud nii, et see sisaldab I2, , siis tahkes süsinikdioksiidis ehk kuivas jääs on CO2 molekulid. asub kristallvõre sõlmedes . Sarnaste ainetega suheldes on jääl ioonne kristallvõre. Näiteks grafiit, millel on süsinikul põhinev aatomstruktuur, ei suuda seda muuta, nagu ka teemant.
Mis juhtub, kui lauasoola kristall lahustub vees: polaarsed molekulid tõmbavad kristallis olevate laetud elementide poole, mis viib selle pinnale sarnaste naatriumi- ja kloriidiosakeste moodustumiseni, mille tulemusena tekivad need kehaderalduvad üksteisest ja see hakkab lahustuma. Siit võib täheldada, et jääl on ioonse sidemega kristallvõre. Iga lahustunud Na + tõmbab ligi mitme veemolekuli negatiivsed otsad, samas kui iga lahustunud Cl - tõmbab positiivseid otsi. Iga iooni ümbritsevat kesta nimetatakse põgenemissfääriks ja see sisaldab tavaliselt mitut lahustiosakeste kihti.
Kuivjää kristallvõre
Muutujad või elementidega ümbritsetud ioonid on väidetav alt sulfaaditud. Kui lahustiks on vesi, on sellised osakesed hüdreeritud. Seega kipuvad vedela keha elemendid solvateerima mis tahes polaarset molekuli. Kuivas jääs moodustab kristallvõre tüüp agregatsiooni olekus aatomsidemeid, mis on muutumatud. Teine asi on kristalne jää (külmunud vesi). Ioonsed orgaanilised ühendid, nagu karboksülaas ja protoneeritud amiinid, peavad olema hüdroksüül- ja karbonüülrühmades lahustuvad. Sellistes struktuurides sisalduvad osakesed liiguvad molekulide vahel ja nende polaarsed süsteemid moodustavad selle kehaga vesiniksidemeid.
Muidugi mõjutab viimaste näidatud rühmade arv molekulis selle lahustuvust, mis sõltub ka elemendi erinevate struktuuride reaktsioonist: näiteks segunevad ühe-, kahe- ja kolmesüsinikalkoholid. veega, kuid suuremad süsivesinikud üksikute hüdroksüülühenditega on vedelikes palju vähem lahjendatud.
Hexagonal Ih sarnaneb kujugaaatomi kristallvõre. Jää ja kogu loodusliku lume puhul Maal näeb see välja täpselt selline. Sellest annab tunnistust veeaurust (st lumehelvestest) kasvanud jää kristallvõre sümmeetria. See on ruumirühmas P 63/mm alates 194; D 6h, Laue klass 6/mm; sarnane β-ga, millel on 6 spira altelje kordne (pöörlemine lisaks nihutamisele mööda seda). Sellel on üsna avatud madala tihedusega struktuur, mille efektiivsus on madal (~1/3) võrreldes lihtsate kuupkujuliste (~1/2) või tahukesksete (~3/4) struktuuridega.
Tavalise jääga võrreldes on CO2 molekulidega seotud kuiva jää kristallvõre staatiline ja muutub ainult aatomite lagunemisel.
Restide ja nende elementide kirjeldus
Kristalle võib vaadelda kristalsete mudelitena, mis koosnevad üksteise kohal asetatud lehtedest. Vesinikside on järjestatud, kuigi tegelikult on see juhuslik, kuna prootonid võivad liikuda vee (jää) molekulide vahel temperatuuril üle 5 K. Tõepoolest, on tõenäoline, et prootonid käituvad pidevas tunnelivoolus nagu kvantvedelik. Seda suurendab neutronite hajumine, mis näitab nende hajumise tihedust poolel teel hapnikuaatomite vahel, mis näitab lokaliseerimist ja kooskõlastatud liikumist. Siin on jää sarnasus aatomi molekulaarse kristallvõrega.
Molekulidel on vesinikuahela astmeline paigutuslennukis oleva kolme naabri suhtes. Neljandal elemendil on varjutatud vesiniksideme paigutus. Täiuslikust kuusnurksest sümmeetriast on väike kõrvalekalle, kuna ühiklahter on selle ahela suunas 0,3% lühem. Kõik molekulid kogevad sama molekulaarset keskkonda. Igas "kastis" on piisav alt ruumi interstitsiaalse vee osakeste hoidmiseks. Kuigi neid üldiselt ei peeta, on neid hiljuti tõhus alt tuvastatud jää pulbrilise kristallvõre neutronite difraktsiooni abil.
Ainete muutmine
Kuusnurksel kehal on kolmikpunktid vedela ja gaasilise veega 0,01 ° C, 612 Pa, tahked elemendid - kolm -21,985 ° C, 209,9 MPa, üksteist ja kaks -199,8 ° C, 70 MPa, samuti - 34,7 °C, 212,9 MPa. Kuusnurkse jää dielektriline konstant on 97,5.
Selle elemendi sulamiskõver on antud MPa-ga. Olekuvõrrandid on lisaks neile saadaval mõned lihtsad võrratused, mis seostavad füüsikaliste omaduste muutumist kuusnurkse jää ja selle vesisuspensioonide temperatuuriga. Kõvadus kõigub kraadides, mis tõusevad temperatuuril 0°C kipsist (≦2) kuni päevakivini (6 Mohs) -80°C juures, ebanormaalselt suur muutus absoluutses kõvaduses (> 24 korda).
Jää kuusnurkne kristallvõre moodustab kuusnurkseid plaate ja sambaid, mille ülemine ja alumine tahk on põhitasapinnad {0 0 0 1} entalpiaga 5,57 μJ cm -2ja teisi samaväärseid külgmisi osi nimetatakse prisma osadeks {1 0 -1 0} koos 5, 94µJ cm -2. Sekundaarsed pinnad {1 1 -2 0} 6,90 ΜJ ˣ cm -2 saab moodustada piki konstruktsioonide külgede poolt moodustatud tasapindu.
Selline struktuur näitab soojusjuhtivuse anomaalset langust rõhu suurenemisel (nagu ka madala tihedusega kuubikujuline ja amorfne jää), kuid erineb enamikust kristallidest. Selle põhjuseks on vesiniksideme muutus, mis vähendab jää ja vee kristallvõres heli põiksuunalist kiirust.
On olemas meetodid, mis kirjeldavad, kuidas valmistada suuri kristalliproove ja mis tahes soovitud jääpinda. Eeldatakse, et uuritava kuusnurkse keha pinnal olev vesinikside on järjestatum kui puistesüsteemi sees. Faasivõre sageduse genereerimisega variatsioonispektroskoopia on näidanud, et kuusnurkse jää põhipinna maa-aluses H O ahelas on kahe ülemise kihi (L1 ja L2) vahel struktuurne asümmeetria. Kuusnurkade ülemistes kihtides (L1 O ··· HO L2) vastuvõetud vesiniksidemed on tugevamad kui need, mis on aktsepteeritud ülemises akumulatsioonikihis (L1 OH ··· O L2). Saadaval on interaktiivsed kuusnurksed jäästruktuurid.
Arendusfunktsioonid
Jää moodustamiseks vajalike veemolekulide minimaalne arv on ligikaudu 275 ± 25, nagu täieliku ikosaeedrilise klastri puhul 280. Moodustumine toimub kiirusega 10 10 õhk-vesi liides ja mitte lahtises vees. Jääkristallide kasv sõltub erinevatest kasvukiirustestenergiad. Bioloogiliste proovide, toidu ja elundite külmsäilitamisel tuleb vett kaitsta külmumise eest.
Tavaliselt saavutatakse see kiire jahutuskiirusega, väikeste proovide ja krüokonservaatori kasutamisega ning surve suurendamisega jää tuuma moodustamiseks ja rakukahjustuste vältimiseks. Jää/vedeliku vaba energia suureneb ~30 mJ/m2 atmosfäärirõhul väärtuseni 40 mJ/m-2 200 MPa juures, mis näitab põhjus, miks see efekt ilmneb.
Mis tüüpi kristallvõre on jääle iseloomulik
Alternatiivina võivad nad kasvada kiiremini prismapindadelt (S2), kiirkülmunud või ärevil järvede juhuslikult häiritud pinnal. Kasv {1 1 -2 0} tahkudest on vähem alt sama, kuid muudab need prisma alusteks. Andmed jääkristalli arengu kohta on täielikult uuritud. Erinevate nägude elementide suhtelised kasvukiirused sõltuvad suutlikkusest moodustada suurt liigesehüdratsiooni. Ümbritseva vee temperatuur (madal) määrab jääkristalli hargnemisastme. Osakeste kasvu piirab difusioonikiirus madalal ülejahutusastmel, st <2 °C juures, mille tulemusena tekib neid rohkem.
Kuid piiratud arengukineetikaga kõrgema depressiooni taseme juures >4°C, mille tulemuseks on nõela kasv. See kuju sarnaneb kuiva jää struktuuriga (sellel on kuusnurkse struktuuriga kristallvõre), erinevadpinna arengu tunnused ja ümbritseva (ülejahutatud) vee temperatuur, mis jääb lumehelveste lamedate kujude taha.
Jää tekkimine atmosfääris mõjutab põhjalikult pilvede teket ja omadusi. Päevakivid, mida leidub kõrbetolmust, mis satub atmosfääri miljoneid tonne aastas, on olulised moodustajad. Arvutisimulatsioonid on näidanud, et selle põhjuseks on prismaatiliste jääkristallide tasandite tuumastumine suure energiaga pinnatasanditel.
Mõned muud elemendid ja võred
Lahustatud aineid (välja arvatud väga väike heelium ja vesinik, mis võivad siseneda vaheruumidesse) ei saa atmosfäärirõhul Ih-struktuuri kaasata, vaid need surutakse pinnale või amorfsesse kihti kihi osakeste vahele. mikrokristalliline keha. Kuivjää võrekohtades on ka teisi elemente: kaotroopsed ioonid nagu NH4 + ja Cl -, mis sisalduvad kergemas vedelikus külmutamises kui teised kosmotroopsed, nagu Na + ja SO42-, seega pole nende eemaldamine võimalik, kuna need moodustavad ülejäänud vedelikust kristallide vahele õhukese kile. See võib kaasa tuua pinna elektrilise laengu pinnavee dissotsieerumise tõttu, mis tasakaalustab ülejäänud laenguid (mis võib samuti põhjustada magnetkiirgust) ja jääkvedelike kilede pH muutuse, nt NH 42SO4 muutub happelisemaks ja NaCl aluselisemaks.
Need on nägudega ristijää kristallvõre, millel on järgmine kiht kinnitatud (mustas O-aatomid). Neid iseloomustab aeglaselt kasvav basaalpind {0 0 0 1}, kus on kinnitunud ainult isoleeritud veemolekulid. Prisma kiiresti kasvav {1 0 -1 0} pind, kus äsja kinnitunud osakeste paarid saavad üksteisega vesinikuga siduda (üks vesinikside / kaks elemendi molekuli). Kõige kiiremini kasvav tahk on {1 1 -2 0} (sekundaarne prismaatiline), kus äsja kinnitunud osakeste ahelad saavad üksteisega suhelda vesiniksideme kaudu. Üks tema ahelatest/elemendimolekulidest on vorm, mis moodustab servi, mis jagunevad ja soodustavad muundumist prisma kaheks küljeks.
Nullpunkti entroopia
Võib määratleda kui S 0=k B ˣ Ln (N E0), kus k B on Boltzmanni konstant, NE on konfiguratsioonide arv energia E juures ja E0 on madalaim energia. See kuusnurkse jää entroopia väärtus null Kelvini juures ei riku termodünaamika kolmandat seadust "Ideaalse kristalli entroopia absoluutse nulli juures on täpselt null", kuna need elemendid ja osakesed ei ole ideaalsed, neil on korrastamata vesinikside.
Selles kehas on vesinikside juhuslik ja kiiresti muutuv. Need struktuurid ei ole energeetiliselt täpselt võrdsed, vaid ulatuvad väga suurele hulgale energeetiliselt lähedastele olekutele, alluvad "jääreeglitele". Nullpunkti entroopia on häire, mis säiliks isegi siis, kui materjali saaks jahutada absoluutseksnull (0 K=-273, 15 °C). Tekitab eksperimentaalse segaduse kuusnurkse jää jaoks 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Teoreetiliselt oleks võimalik teadaolevate jääkristallide nullentroopia arvutada palju suurema täpsusega (jättes tähelepanuta defektid ja energiataseme leviku), kui seda eksperimentaalselt määrata.
Teadlased ja nende töö selles valdkonnas
Võib määratleda kui S 0=k B ˣ Ln (N E0), kus k B on Boltzmanni konstant, NE on konfiguratsioonide arv energia E juures ja E0 on madalaim energia. See kuusnurkse jää entroopia väärtus null Kelvini juures ei riku termodünaamika kolmandat seadust "Ideaalse kristalli entroopia absoluutse nulli juures on täpselt null", kuna need elemendid ja osakesed ei ole ideaalsed, neil on korrastamata vesinikside.
Selles kehas on vesinikside juhuslik ja kiiresti muutuv. Need struktuurid ei ole energeetiliselt täpselt võrdsed, vaid ulatuvad väga suurele hulgale energeetiliselt lähedastele olekutele, alluvad "jääreeglitele". Nullpunkti entroopia on häire, mis säiliks ka siis, kui materjali saaks jahutada absoluutse nullini (0 K=-273,15°C). Tekitab eksperimentaalse segaduse kuusnurkse jää jaoks 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Teoreetiliselt oleks võimalik teadaolevate jääkristallide nullentroopia arvutada palju suurema täpsusega (jättes tähelepanuta defektid ja energiataseme leviku), kui seda eksperimentaalselt määrata.
Kuigi prootonite järjestus puistejääl ei ole järjestatud, eelistab pind tõenäoliselt nende osakeste järjestust rippuvate H-aatomite ja O-üksikute paaride kujul (nullentroopia järjestatud vesiniksidemetega). Leitakse nullpunkti häire ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 jt. Kõigest eelnevast on selge ja arusaadav, mis tüüpi kristallvõre on jääle iseloomulik.
