O estado tridimensional da água líquida é difícil de estudar, mas muito se aprendeu analisando a estrutura dos cristais de gelo. Quatro átomos vizinhos de oxigênio interagindo com hidrogênio ocupam os vértices de um tetraedro (tetra=quatro, hedron=plano). A energia média necessária para quebrar tal ligação no gelo é estimada em 23 kJ/mol-1.
A capacidade das moléculas de água de formar um determinado número de cadeias de hidrogênio, bem como uma determinada força, cria um ponto de fusão incomumente alto. Quando derrete, é retido por água líquida, cuja estrutura é irregular. A maioria das ligações de hidrogênio são distorcidas. É necessária uma grande quantidade de energia na forma de calor para quebrar a rede cristalina do gelo com ligações de hidrogênio.
Características da aparência do gelo (Ih)
Muitos dos habitantes estão se perguntando que tipo de rede cristalina o gelo tem. NecessárioDeve-se notar que a densidade da maioria das substâncias aumenta durante o congelamento, quando os movimentos moleculares diminuem e os cristais densamente compactados se formam. A densidade da água também aumenta à medida que esfria até um máximo de 4°C (277K). Então, quando a temperatura cai abaixo desse valor, ela se expande.
Esse aumento é devido à formação de um cristal de gelo aberto, ligado por hidrogênio, com sua rede e densidade mais baixa, no qual cada molécula de água é rigidamente ligada pelo elemento acima e quatro outros valores, enquanto se move rápido o suficiente para tem mais massa. Como essa ação ocorre, o líquido congela de cima para baixo. Isso tem resultados biológicos importantes, pois a camada de gelo na lagoa isola os seres vivos do frio extremo. Além disso, duas propriedades adicionais da água estão relacionadas às suas características de hidrogênio: calor específico e evaporação.
Descrição detalhada das estruturas
O primeiro critério é a quantidade necessária para elevar em 1°C a temperatura de 1 grama de uma substância. Aumentar os graus de água requer uma quantidade relativamente grande de calor porque cada molécula está envolvida em inúmeras ligações de hidrogênio que devem ser quebradas para que a energia cinética aumente. A propósito, a abundância de H2O nas células e tecidos de todos os grandes organismos multicelulares significa que as flutuações de temperatura dentro das células são minimizadas. Esta característica é crucial, uma vez que a velocidade da maioria das reações bioquímicassensível.
O calor de vaporização da água também é significativamente maior que o de muitos outros líquidos. Uma grande quantidade de calor é necessária para converter este corpo em gás, porque as ligações de hidrogênio devem ser quebradas para que as moléculas de água se desloquem umas das outras e entrem na referida fase. Corpos mutáveis são dipolos permanentes e podem interagir com outros compostos semelhantes e aqueles que se ionizam e se dissolvem.
Outras substâncias mencionadas acima podem entrar em contato somente se a polaridade estiver presente. É esse composto que está envolvido na estrutura desses elementos. Além disso, ele pode se alinhar em torno dessas partículas formadas a partir de eletrólitos, de modo que os átomos negativos de oxigênio das moléculas de água sejam orientados para os cátions, e os íons positivos e os átomos de hidrogênio sejam orientados para os ânions.
Nos sólidos, via de regra, formam-se redes cristalinas moleculares e atômicas. Ou seja, se o iodo é construído de tal forma que contém I2, , então no dióxido de carbono sólido, ou seja, no gelo seco, as moléculas de CO2 são localizado nos nós da rede cristalina . Ao interagir com substâncias semelhantes, o gelo possui uma rede cristalina iônica. A grafite, por exemplo, que tem uma estrutura atômica baseada no carbono, não é capaz de alterá-la, assim como o diamante.
O que acontece quando um cristal de sal de cozinha se dissolve em água: moléculas polares são atraídas por elementos carregados no cristal, o que leva à formação de partículas semelhantes de sódio e cloreto em sua superfície, resultando nesses corpossão deslocados um do outro, e ele começa a se dissolver. A partir daqui pode-se observar que o gelo tem uma rede cristalina com ligação iônica. Cada Na + dissolvido atrai as extremidades negativas de várias moléculas de água, enquanto cada Cl - dissolvido atrai as extremidades positivas. A casca que envolve cada íon é chamada de esfera de escape e geralmente contém várias camadas de partículas de solvente.
Rede de cristal de gelo seco
Variáveis ou um íon cercado por elementos são ditos sulfatados. Quando o solvente é água, tais partículas são hidratadas. Assim, qualquer molécula polar tende a ser solvatada pelos elementos do corpo líquido. No gelo seco, o tipo de rede cristalina forma ligações atômicas no estado de agregação, que permanecem in alteradas. Outra coisa é o gelo cristalino (água congelada). Compostos orgânicos iônicos, como carboxilase e aminas protonadas, devem ser solúveis em grupos hidroxila e carbonila. As partículas contidas em tais estruturas se movem entre as moléculas, e seus sistemas polares formam ligações de hidrogênio com este corpo.
Claro, o número dos últimos grupos indicados em uma molécula afeta sua solubilidade, que também depende da reação de várias estruturas no elemento: por exemplo, álcoois de um, dois e três carbonos são miscíveis com água, mas hidrocarbonetos maiores com compostos de hidroxila simples são muito menos diluídos em líquidos.
Hexagonal Ih é semelhante em forma arede cristalina atômica. Para o gelo e toda a neve natural da Terra, é exatamente assim. Isso é evidenciado pela simetria da rede cristalina do gelo, cultivada a partir de vapor de água (isto é, flocos de neve). Está no grupo espacial P 63/mm de 194; D 6h, classe Laue 6/mm; semelhante ao β-, que tem um eixo helicoidal múltiplo de 6 (rotação ao redor além de deslocamento ao longo dele). Tem uma estrutura de baixa densidade bastante aberta onde a eficiência é baixa (~1/3) em comparação com estruturas cúbicas simples (~1/2) ou cúbicas de face centrada (~3/4).
Comparado ao gelo comum, a rede cristalina do gelo seco, ligada por moléculas de CO2, é estática e muda apenas quando os átomos decaem.
Descrição das grades e seus elementos
Cristais podem ser vistos como modelos cristalinos, constituídos por folhas colocadas uma sobre a outra. A ligação de hidrogênio é ordenada, embora na realidade seja aleatória, já que prótons podem se mover entre moléculas de água (gelo) a temperaturas acima de 5 K. De fato, é provável que os prótons se comportem como um fluido quântico em um fluxo constante de tunelamento. Isso é reforçado pela dispersão de nêutrons, mostrando sua densidade de dispersão a meio caminho entre os átomos de oxigênio, indicando localização e movimento combinado. Aqui há uma semelhança de gelo com uma rede cristalina atômica molecular.
Moléculas têm um arranjo escalonado da cadeia de hidrogênioem relação aos seus três vizinhos no plano. O quarto elemento tem um arranjo de ligações de hidrogênio eclipsado. Há um pequeno desvio da simetria hexagonal perfeita, pois a célula unitária é 0,3% mais curta na direção dessa cadeia. Todas as moléculas experimentam os mesmos ambientes moleculares. Há espaço suficiente dentro de cada "caixa" para conter partículas de água intersticial. Embora não sejam geralmente considerados, eles foram recentemente detectados efetivamente por difração de nêutrons da rede cristalina em pó do gelo.
Substâncias em mudança
O corpo hexagonal possui pontos triplos com água líquida e gasosa 0,01°C, 612 Pa, elementos sólidos - três -21,985°C, 209,9 MPa, onze e dois -199,8°C, 70 MPa, assim como - 34,7°C, 212,9 MPa. A constante dielétrica do gelo hexagonal é 97,5.
A curva de fusão deste elemento é dada por MPa. As equações de estado estão disponíveis, além delas, algumas desigualdades simples relacionando a mudança nas propriedades físicas à temperatura do gelo hexagonal e suas suspensões aquosas. A dureza flutua com graus subindo de ou abaixo do gesso (≦2) a 0°C para feldspato (6 Mohs) a -80°C, uma mudança anormalmente grande na dureza absoluta (> 24 vezes).
A rede cristalina hexagonal do gelo forma placas e colunas hexagonais, onde as faces superior e inferior são os planos basais {0 0 0 1} com uma entalpia de 5,57 μJ cm -2, e outras partes laterais equivalentes são chamadas de partes do prisma {1 0 -1 0} com 5, 94µJ cm -2. Superfícies secundárias {1 1 -2 0} com 6,90 ΜJ ˣ cm -2 podem ser formadas ao longo dos planos formados pelos lados das estruturas.
Tal estrutura mostra uma diminuição anômala na condutividade térmica com o aumento da pressão (assim como gelo cúbico e amorfo de baixa densidade), mas difere da maioria dos cristais. Isso se deve a uma mudança na ligação de hidrogênio, que reduz a velocidade transversal do som na rede cristalina do gelo e da água.
Existem métodos que descrevem como preparar grandes amostras de cristal e qualquer superfície de gelo desejada. Supõe-se que a ligação de hidrogênio na superfície do corpo hexagonal em estudo será mais ordenada do que dentro do sistema bulk. A espectroscopia variacional com geração de frequência de rede de fase mostrou que existe uma assimetria estrutural entre as duas camadas superiores (L1 e L2) na cadeia HO subsuperficial da superfície basal do gelo hexagonal. As ligações de hidrogênio adotadas nas camadas superiores dos hexágonos (L1 O ··· HO L2) são mais fortes do que as aceitas na segunda camada para a acumulação superior (L1 OH ··· O L2). Estruturas de gelo hexagonais interativas disponíveis.
Recursos de Desenvolvimento
O número mínimo de moléculas de água necessárias para formar gelo é de aproximadamente 275 ± 25, como para um aglomerado icosaédrico completo de 280. A formação ocorre a uma taxa de 10 10 no interface ar-água e não em água a granel. O crescimento de cristais de gelo depende de diferentes taxas de crescimento de váriosenergias. A água deve ser protegida do congelamento ao criopreservar espécimes biológicos, alimentos e órgãos.
Isso é normalmente alcançado por taxas de resfriamento rápidas, usando pequenas amostras e um crioconservador e aumentando a pressão para nucleação de gelo e evitar danos às células. A energia livre do gelo/líquido aumenta de ~30 mJ/m2 à pressão atmosférica para 40 mJ/m-2 a 200 MPa, indicando razão pela qual este efeito ocorre.
Que tipo de rede cristalina é característica do gelo
Alternativamente, eles podem crescer mais rápido a partir de superfícies de prisma (S2), na superfície aleatoriamente perturbada de lagos congelados ou agitados. O crescimento das faces {1 1 -2 0} é pelo menos o mesmo, mas as transforma em bases de prisma. Os dados sobre o desenvolvimento do cristal de gelo foram totalmente investigados. As taxas de crescimento relativo de elementos de diferentes faces dependem da capacidade de formar um alto grau de hidratação articular. A temperatura (baixa) da água circundante determina o grau de ramificação no cristal de gelo. O crescimento das partículas é limitado pela taxa de difusão em um baixo grau de superresfriamento, ou seja, <2 ° C, resultando em mais delas.
Mas limitado pela cinética de desenvolvimento em níveis mais altos de depressão de >4°C, resultando em crescimento da agulha. Esta forma é semelhante à estrutura do gelo seco (possui uma rede cristalina com estrutura hexagonal), várioscaracterísticas do desenvolvimento da superfície e da temperatura da água circundante (super-resfriada), que está por trás das formas planas dos flocos de neve.
A formação de gelo na atmosfera afeta profundamente a formação e as propriedades das nuvens. Os feldspatos, encontrados na poeira do deserto que entra na atmosfera em milhões de toneladas por ano, são formadores importantes. Simulações de computador mostraram que isso se deve à nucleação de planos de cristais de gelo prismáticos em planos de superfície de alta energia.
Alguns outros elementos e reticulados
Substâncias dissolvidas (com exceção de hélio e hidrogênio muito pequenos, que podem entrar nos interstícios) não podem ser incluídas na estrutura Ih à pressão atmosférica, mas são forçadas a sair para a superfície ou camada amorfa entre as partículas do corpo microcristalino. Existem alguns outros elementos nos locais da rede de gelo seco: íons caotrópicos como NH4 + e Cl - que estão incluídos no congelamento líquido mais leve do que outros cosmotrópicos, como Na + e SO42-, portanto, não é possível removê-los devido ao fato de que eles formam uma película fina do líquido restante entre os cristais. Isso pode levar à carga elétrica da superfície devido à dissociação da água da superfície equilibrando as cargas restantes (o que também pode levar à radiação magnética) e uma mudança no pH dos filmes líquidos residuais, por exemplo, NH 42SO4 torna-se mais ácido e o NaCl mais básico.
Eles são perpendiculares às facesrede cristalina de gelo mostrando a próxima camada anexada (com átomos de O em preto). Eles são caracterizados por uma superfície basal de crescimento lento {0 0 0 1}, onde apenas moléculas de água isoladas estão ligadas. Uma superfície {1 0 -1 0} de crescimento rápido de um prisma onde pares de partículas recém-ligadas podem se ligar umas às outras com hidrogênio (uma ligação de hidrogênio/duas moléculas de um elemento). A face de crescimento mais rápido é {1 1 -2 0} (prismática secundária), onde cadeias de partículas recém-ligadas podem interagir umas com as outras por ligações de hidrogênio. Uma de suas cadeias/moléculas de elemento é uma forma que forma sulcos que dividem e estimulam a transformação em dois lados do prisma.
Entropia de ponto zero
Pode ser definido como S 0=k B ˣ Ln (N E0), onde k B é a constante de Boltzmann, NE é o número de configurações na energia E, e E0 é a energia mais baixa. Este valor para a entropia do gelo hexagonal em zero Kelvin não viola a terceira lei da termodinâmica "A entropia de um cristal ideal em zero absoluto é exatamente zero", pois esses elementos e partículas não são ideais, possuem ligações de hidrogênio desordenadas.
Neste corpo, a ligação de hidrogênio é aleatória e muda rapidamente. Essas estruturas não são exatamente iguais em energia, mas se estendem a um número muito grande de estados energeticamente próximos, obedecendo às "regras do gelo". A entropia do ponto zero é a desordem que permaneceria mesmo se o material pudesse ser resfriado a um valor absoluto.zero (0K=-273, 15°C). Gera confusão experimental para gelo hexagonal 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Teoricamente, seria possível calcular a entropia zero de cristais de gelo conhecidos com muito maior precisão (desprezando defeitos e propagação do nível de energia) do que determiná-la experimentalmente.
Cientistas e seu trabalho nesta área
Pode ser definido como S 0=k B ˣ Ln (N E0), onde k B é a constante de Boltzmann, NE é o número de configurações na energia E, e E0 é a energia mais baixa. Este valor para a entropia do gelo hexagonal em zero Kelvin não viola a terceira lei da termodinâmica "A entropia de um cristal ideal em zero absoluto é exatamente zero", pois esses elementos e partículas não são ideais, possuem ligações de hidrogênio desordenadas.
Neste corpo, a ligação de hidrogênio é aleatória e muda rapidamente. Essas estruturas não são exatamente iguais em energia, mas se estendem a um número muito grande de estados energeticamente próximos, obedecendo às "regras do gelo". A entropia do ponto zero é a desordem que permaneceria mesmo se o material pudesse ser resfriado até o zero absoluto (0 K=-273,15°C). Gera confusão experimental para gelo hexagonal 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Teoricamente, seria possível calcular a entropia zero de cristais de gelo conhecidos com muito maior precisão (desprezando defeitos e propagação do nível de energia) do que determiná-la experimentalmente.
Embora a ordem dos prótons no gelo a granel não seja ordenada, a superfície provavelmente prefere a ordem dessas partículas na forma de bandas de átomos de H suspensos e pares de O-simples (entropia zero com ligações de hidrogênio ordenadas). O distúrbio de ponto zero ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 e outros é encontrado. De todos os itens acima, é claro e compreensível que tipos de redes cristalinas são características do gelo.
