Sıvı suyun üç boyutlu durumunu incelemek zordur, ancak buz kristallerinin yapısını analiz ederek çok şey öğrenilmiştir. Dört komşu hidrojen etkileşimli oksijen atomu bir tetrahedronun köşelerini işgal eder (tetra=dört, hedron=düzlem). Buzda böyle bir bağı kırmak için gereken ortalama enerjinin 23 kJ/mol-1 olduğu tahmin edilmektedir.
Su moleküllerinin belirli sayıda hidrojen zinciri oluşturma yeteneğinin yanı sıra belirli bir kuvvet, alışılmadık derecede yüksek bir erime noktası oluşturur. Eridiğinde, yapısı düzensiz olan sıvı su tarafından tutulur. Hidrojen bağlarının çoğu bozulmuştur. Hidrojen bağlı buzun kristal kafesini kırmak için ısı biçiminde büyük miktarda enerji gerekir.
Buz görünümünün özellikleri (Ih)
Yerlilerin çoğu ne tür kristal kafes buz olduğunu merak ediyor. GerekliMoleküler hareketler yavaşladığında ve yoğun paketlenmiş kristaller oluştuğunda, çoğu maddenin yoğunluğunun donma sırasında arttığına dikkat edilmelidir. 4°C'de (277K) maksimuma soğudukça suyun yoğunluğu da artar. Daha sonra sıcaklık bu değerin altına düştüğünde genişler.
Bu artış, her bir su molekülünün yukarıdaki element ve diğer dört değer tarafından sıkı bir şekilde bağlandığı ve yeterince hızlı hareket ederken, kafesi ve düşük yoğunluğu ile açık, hidrojen bağlı bir buz kristalinin oluşumundan kaynaklanmaktadır. daha fazla kütleye sahip. Bu eylem gerçekleştiği için sıvı yukarıdan aşağıya doğru donar. Bunun önemli biyolojik sonuçları vardır, bunun sonucunda gölet üzerindeki buz tabakası canlıları aşırı soğuktan izole eder. Ek olarak, suyun iki ek özelliği hidrojen özellikleriyle ilgilidir: özgül ısı ve buharlaşma.
Yapıların ayrıntılı açıklaması
İlk kriter, 1 gram maddenin sıcaklığını 1°C yükseltmek için gereken miktardır. Suyun derecesini yükseltmek, nispeten büyük miktarda ısı gerektirir, çünkü her molekül, kinetik enerjinin artması için kırılması gereken çok sayıda hidrojen bağına dahil olur. Bu arada, tüm büyük çok hücreli organizmaların hücrelerinde ve dokularında H2O bolluğu, hücrelerin içindeki sıcaklık dalgalanmalarının en aza indirildiği anlamına gelir. Bu özellik çok önemlidir, çünkü çoğu biyokimyasal reaksiyonun hızıduyarlı.
Suyun buharlaşma ısısı da diğer birçok sıvıdan önemli ölçüde yüksektir. Bu cismin gaza dönüşmesi için büyük miktarda ısı gereklidir, çünkü su moleküllerinin birbirinden ayrılıp söz konusu faza girebilmesi için hidrojen bağlarının kırılması gerekir. Değişebilir cisimler kalıcı dipollerdir ve diğer benzer bileşiklerle ve iyonlaşıp çözünenlerle etkileşime girebilir.
Yukarıda bahsedilen diğer maddeler ancak polarite varsa temas edebilir. Bu elementlerin yapısında yer alan bu bileşiktir. Ayrıca elektrolitlerden oluşan bu parçacıkların etrafında sıralanarak su moleküllerinin negatif oksijen atomları katyonlara, pozitif iyonlar ve hidrojen atomları ise anyonlara yönlendirilir.
Katılarda, kural olarak moleküler kristal kafesler ve atomik olanlar oluşur. Yani, iyot I2, içerecek şekilde yapılmışsa, katı karbondioksitte, yani kuru buzda CO2 molekülleri vardır. kristal kafes düğümlerinde bulunur. Benzer maddelerle etkileşime girdiğinde, buzun iyonik bir kristal kafesi vardır. Örneğin karbona dayalı atomik bir yapıya sahip olan grafit, tıpkı elmas gibi onu değiştiremez.
Bir sofra tuzu kristali suda çözündüğünde ne olur: polar moleküller kristaldeki yüklü elementlere çekilir, bu da yüzeyinde benzer sodyum ve klorür parçacıklarının oluşmasına yol açar ve bu cisimler ile sonuçlanırbirbirinden ayrılır ve çözülmeye başlar. Buradan buzun iyonik bağ ile kristal bir kafese sahip olduğu gözlemlenebilir. Her çözünmüş Na+, birkaç su molekülünün negatif uçlarını çekerken, çözünmüş her Cl - pozitif uçları çeker. Her bir iyonu çevreleyen kabuğa kaçış küresi denir ve genellikle birkaç katman çözücü parçacık içerir.
Kuru buz kristal kafes
Değişkenler veya elementlerle çevrili bir iyonun sülfatlanmış olduğu söylenir. Çözücü su olduğunda, bu tür parçacıklar hidratlanır. Bu nedenle, herhangi bir polar molekül, sıvı cismin elementleri tarafından çözülme eğilimindedir. Kuru buzda, kristal kafes türü, değişmeyen kümelenme durumunda atomik bağlar oluşturur. Başka bir şey kristal buzdur (donmuş su). Karboksilaz ve protonlanmış aminler gibi iyonik organik bileşikler, hidroksil ve karbonil gruplarında çözünür olmalıdır. Bu tür yapılarda bulunan parçacıklar moleküller arasında hareket eder ve polar sistemleri bu cisimle hidrojen bağları oluşturur.
Elbette, bir moleküldeki son belirtilen grupların sayısı, elementteki çeşitli yapıların reaksiyonuna da bağlı olan çözünürlüğünü etkiler: örneğin, bir, iki ve üç karbonlu alkoller karışabilir su ile, ancak tek hidroksil bileşikleri içeren daha büyük hidrokarbonlar sıvılarda çok daha az seyreltiktir.
Altıgen Ih şekil olarak şuna benzeratomik kristal kafes. Buz ve Dünya'daki tüm doğal kar için tam olarak böyle görünüyor. Bu, su buharından (yani kar tanelerinden) oluşan kristal buz kafesinin simetrisi ile kanıtlanır. 194'ten itibaren P 63/mm uzay grubunda; D 6h, Laue sınıfı 6/mm; 6 sarmal ekseninin katı olan β-'ye benzer (kaydırmaya ek olarak etrafında dönme). Basit kübik (~1/2) veya yüzey merkezli kübik (~3/4) yapılara kıyasla verimliliğin düşük olduğu (~1/3) oldukça açık düşük yoğunluklu bir yapıya sahiptir.
Sıradan buza kıyasla, kuru buzun CO2 molekülleriyle bağlı kristal kafesi statiktir ve yalnızca atomlar bozunduğunda değişir.
Izgaraların ve elemanlarının tanımı
Kristaller, birbiri üzerine yerleştirilmiş tabakalardan oluşan kristal modeller olarak görülebilir. Hidrojen bağı düzenlidir, ancak gerçekte rastgeledir, çünkü protonlar yaklaşık 5 K'nin üzerindeki sıcaklıklarda su (buz) molekülleri arasında hareket edebilir. Gerçekten de, protonların sabit bir tünel akışında bir kuantum sıvısı gibi davranması muhtemeldir. Bu, nötronların saçılmasıyla güçlendirilir, saçılma yoğunluğunu oksijen atomları arasında yarı yolda gösterir, lokalizasyonu ve uyumlu hareketi gösterir. Burada atomik, moleküler kristal kafes ile buz benzerliği var.
Moleküller, hidrojen zincirinin kademeli bir düzenine sahiptirdüzlemdeki üç komşusuna göre. Dördüncü element, gölgeli bir hidrojen bağı düzenlemesine sahiptir. Birim hücre bu zincir yönünde %0,3 daha kısa olduğundan, mükemmel altıgen simetriden hafif bir sapma vardır. Tüm moleküller aynı moleküler ortamları deneyimler. Her "kutu" içinde, ara su parçacıklarını tutmak için yeterli alan vardır. Genel olarak kabul edilmemesine rağmen, son zamanlarda buzun toz kristal kafesinin nötron kırınımı ile etkili bir şekilde tespit edilmiştir.
Maddeleri Değiştirmek
Altıgen gövde, sıvı ve gazlı su 0.01 ° C, 612 Pa, katı elementler ile üçlü noktalara sahiptir - üç -21.985 ° C, 209.9 MPa, on bir ve iki -199.8 ° C, 70 MPa ve ayrıca - 34.7 °C, 212,9 MPa. Altıgen buzun dielektrik sabiti 97.5'tir.
Bu elementin erime eğrisi MPa ile verilir. Hal denklemleri, bunlara ek olarak, altıgen buzun ve onun sulu süspansiyonlarının sıcaklığıyla fiziksel özelliklerdeki değişimi ilişkilendiren bazı basit eşitsizlikler de mevcuttur. Sertlik, 0°C'de alçıtaşından (≦2) -80°C'de feldispat'a (6 Mohs) yükselen derecelerle dalgalanır, mutlak sertlikte anormal derecede büyük bir değişiklik (> 24 kez).
Buzun altıgen kristal kafesi, üst ve alt yüzlerin 5,57 μJ cm entalpiye sahip {0 0 0 1} temel düzlemler olduğu altıgen plakalar ve sütunlar oluşturur -2ve diğer eşdeğer yan parçalara, 5, 94 ile {1 0 -1 0} prizmasının parçaları denir.µJ cm -2. Yapıların kenarlarının oluşturduğu düzlemler boyunca 6.90 ΜJ ˣ cm -2 olan ikincil yüzeyler {1 1 -2 0} oluşturulabilir.
Böyle bir yapı, artan basınçla (düşük yoğunluklu kübik ve amorf buzun yanı sıra) termal iletkenlikte anormal bir düşüş gösterir, ancak çoğu kristalden farklıdır. Bunun nedeni, buz ve suyun kristal kafesindeki sesin enine hızını az altan hidrojen bağındaki bir değişikliktir.
Büyük kristal numunelerin ve istenen herhangi bir buz yüzeyinin nasıl hazırlanacağını açıklayan yöntemler vardır. İncelenen altıgen cismin yüzeyindeki hidrojen bağının, toplu sistemin içinden daha düzenli olacağı varsayılmaktadır. Faz-kafes frekans üretimi ile varyasyon spektroskopisi, altıgen buzun bazal yüzeyinin yer altı H2O zincirindeki iki üst katman (L1 ve L2) arasında yapısal bir asimetri olduğunu göstermiştir. Altıgenlerin üst katmanlarında benimsenen hidrojen bağları (L1 O ··· HO L2), üst birikime (L1 OH ··· O L2) ikinci katmanda kabul edilenlerden daha güçlüdür. Etkileşimli altıgen buz yapıları mevcut.
Geliştirme Özellikleri
Buz oluşturmak için gereken minimum su molekülü sayısı, 280'lik tam bir ikosahedral küme için yaklaşık 275 ± 25'tir. hava-su arayüzü ve toplu suda değil. Buz kristallerinin büyümesi, çeşitli türlerin farklı büyüme oranlarına bağlıdır.enerjiler. Biyolojik örnekleri, yiyecekleri ve organları dondururken su donmaya karşı korunmalıdır.
Bu, tipik olarak hızlı soğutma oranları, küçük numuneler ve bir kriyokoruyucu kullanılarak ve buzu çekirdeklendirmek ve hücre hasarını önlemek için artan basınçla elde edilir. Buzun/sıvının serbest enerjisi atmosfer basıncında ~30 mJ/m2'den 200 MPa'da 40 mJ/m-2'ye yükselir, bu da şunu gösterir: bu etkinin oluşmasının nedeni.
Buzun özelliği ne tür bir kristal kafestir
Alternatif olarak, hızlı donmuş veya çalkalanmış göllerin rastgele bozulmuş yüzeyinde prizma yüzeylerinden (S2) daha hızlı büyüyebilirler. {1 1 -2 0} yüzlerindeki büyüme en azından aynıdır, ancak onları prizma tabanlarına dönüştürür. Buz kristalinin gelişimine ilişkin veriler tamamen araştırılmıştır. Farklı yüzeylerdeki elementlerin nispi büyüme oranları, büyük ölçüde eklem hidrasyonu oluşturma yeteneğine bağlıdır. Çevreleyen suyun sıcaklığı (düşük), buz kristalindeki dallanma derecesini belirler. Parçacık büyümesi, düşük bir aşırı soğutma derecesinde, yani <2 ° C'de difüzyon hızı ile sınırlıdır, bu da daha fazlasına neden olur.
Ancak >4°C'lik daha yüksek depresyon seviyelerinde gelişim kinetiği ile sınırlıdır, bu da iğne büyümesine neden olur. Bu şekil kuru buzun yapısına benzer (altıgen yapıya sahip kristal bir kafese sahiptir), çeşitliyüzey gelişiminin özellikleri ve kar tanelerinin düz şekillerinin arkasındaki çevreleyen (aşırı soğutulmuş) suyun sıcaklığı.
Atmosferde buz oluşumu, bulutların oluşumunu ve özelliklerini derinden etkiler. Yılda milyonlarca ton atmosfere giren çöl tozunda bulunan feldispatlar önemli oluşturuculardır. Bilgisayar simülasyonları bunun yüksek enerjili yüzey düzlemlerinde prizmatik buz kristali düzlemlerinin çekirdeklenmesinden kaynaklandığını göstermiştir.
Diğer bazı öğeler ve kafesler
Çözünmüş maddeler (aralıklara girebilen çok küçük helyum ve hidrojen hariç) atmosferik basınçta Ih yapısına dahil edilemez, ancak yüzeye veya partiküller arasındaki amorf tabakaya zorlanır. mikrokristal gövde. Kuru buzun kafes bölgelerinde başka elementler de vardır: NH4 + ve Cl - gibi kaotropik iyonlar, Na + ve SO42- gibi diğer kozmotropik olanlardan daha hafif sıvı dondurmaya dahildir., bu nedenle kristaller arasında kalan sıvıdan ince bir film oluşturdukları için bunları çıkarmak mümkün değildir. Bu, kalan yükleri dengeleyen (manyetik radyasyona da yol açabilen) yüzey suyunun ayrışması nedeniyle yüzeyin elektriksel olarak yüklenmesine ve artık sıvı filmlerin pH'ında bir değişikliğe, örneğin NH 4 yol açabilir.2SO4 daha asidik hale gelir ve NaCl daha bazik hale gelir.
Yüzlere diktirler(siyah O atomları ile) bir sonraki katmanı gösteren buz kristal kafes. Yalnızca izole su moleküllerinin eklendiği, yavaş büyüyen bir bazal yüzey {0 0 0 1} ile karakterize edilirler. Yeni eklenen parçacıkların çiftlerinin hidrojenle (bir hidrojen bağı/bir elementin iki molekülü) birbirine bağlanabildiği bir prizmanın hızla büyüyen {1 0 -1 0} yüzeyi. En hızlı büyüyen yüz {1 1 -2 0}'dır (ikincil prizmatik), burada yeni eklenen parçacık zincirleri hidrojen bağıyla birbirleriyle etkileşebilir. Zincirlerinden/eleman moleküllerinden biri, bölünen ve prizmanın iki tarafına dönüşümü teşvik eden sırtlar oluşturan bir formdur.
Sıfır noktası entropisi
S 0=k B ˣ Ln (N E0) olarak tanımlanabilir, burada k B Boltzmann sabitidir, NE E enerjisindeki konfigürasyonların sayısıdır ve E0 en düşük enerjidir. Sıfır Kelvin'de altıgen buzun entropisi için bu değer, termodinamiğin üçüncü yasasını "mutlak sıfırda ideal bir kristalin entropisi tam olarak sıfırdır" ihlal etmez, çünkü bu elementler ve parçacıklar ideal değildir, düzensiz hidrojen bağlarına sahiptir.
Bu vücutta hidrojen bağı rastgele ve hızla değişiyor. Bu yapılar enerjide tam olarak eşit değildir, ancak çok sayıda enerjisel olarak yakın duruma uzanır, "buz kurallarına" uyar. Sıfır noktası entropisi, malzeme mutlak sıcaklığa soğutulabilse bile kalacak olan düzensizliktir.sıfır (0 K=-273, 15°C). Altıgen buz 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1 için deneysel karışıklık oluşturur. Teorik olarak, bilinen buz kristallerinin sıfır entropisini deneysel olarak belirlemekten çok daha büyük bir doğrulukla (kusurları ve enerji seviyesi yayılımını ihmal ederek) hesaplamak mümkün olacaktır.
Bilim adamları ve bu alandaki çalışmaları
S 0=k B ˣ Ln (N E0) olarak tanımlanabilir, burada k B Boltzmann sabitidir, NE E enerjisindeki konfigürasyonların sayısıdır ve E0 en düşük enerjidir. Sıfır Kelvin'de altıgen buzun entropisi için bu değer, termodinamiğin üçüncü yasasını "mutlak sıfırda ideal bir kristalin entropisi tam olarak sıfırdır" ihlal etmez, çünkü bu elementler ve parçacıklar ideal değildir, düzensiz hidrojen bağlarına sahiptir.
Bu vücutta hidrojen bağı rastgele ve hızla değişiyor. Bu yapılar enerjide tam olarak eşit değildir, ancak çok sayıda enerjisel olarak yakın duruma uzanır, "buz kurallarına" uyar. Sıfır noktası entropisi, malzeme mutlak sıfıra (0 K=-273.15°C) soğutulabilse bile kalacak düzensizliktir. Altıgen buz 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1 için deneysel karışıklık oluşturur. Teorik olarak, bilinen buz kristallerinin sıfır entropisini deneysel olarak belirlemekten çok daha büyük bir doğrulukla (kusurları ve enerji seviyesi yayılımını ihmal ederek) hesaplamak mümkün olacaktır.
Yığın buzdaki protonların sırası düzenli olmasa da, yüzey muhtemelen bu parçacıkların asılı H-atomları ve O-tek çiftleri bantları biçimindeki düzenini tercih eder (sıralı hidrojen bağlarıyla sıfır entropi). Sıfır noktası bozukluğu ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 ve diğerleri bulunur. Yukarıdakilerin hepsinden, ne tür kristal kafeslerin buzun özelliği olduğu açık ve anlaşılırdır.
