L'état tridimensionnel de l'eau liquide est difficile à étudier, mais beaucoup a été appris en analysant la structure des cristaux de glace. Quatre atomes d'oxygène interagissant avec l'hydrogène voisins occupent les sommets d'un tétraèdre (tétra=quatre, hédron=plan). L'énergie moyenne nécessaire pour rompre une telle liaison dans la glace est estimée à 23 kJ/mol-1.
La capacité des molécules d'eau à former un nombre donné de chaînes d'hydrogène, ainsi qu'une force donnée, crée un point de fusion inhabituellement élevé. Lorsqu'il fond, il est retenu par de l'eau liquide dont la structure est irrégulière. La plupart des liaisons hydrogène sont déformées. Il faut une grande quantité d'énergie sous forme de chaleur pour briser le réseau cristallin de la glace liée à l'hydrogène.
Caractéristiques de l'apparition de la glace (Ih)
Beaucoup d'habitants se demandent de quel type de glace il s'agit. NécessaireIl convient de noter que la densité de la plupart des substances augmente pendant la congélation, lorsque les mouvements moléculaires ralentissent et que des cristaux densément compactés se forment. La densité de l'eau augmente également lorsqu'elle se refroidit jusqu'à un maximum à 4°C (277K). Ensuite, lorsque la température tombe en dessous de cette valeur, elle se dilate.
Cette augmentation est due à la formation d'un cristal de glace ouvert à liaison hydrogène avec son réseau et sa densité inférieure, dans lequel chaque molécule d'eau est liée de manière rigide par l'élément ci-dessus et quatre autres valeurs, tout en se déplaçant assez rapidement pour avoir plus de masse. Depuis que cette action se produit, le liquide gèle de haut en bas. Cela a des résultats biologiques importants, grâce auxquels la couche de glace sur l'étang isole les êtres vivants du froid extrême. De plus, deux propriétés supplémentaires de l'eau sont liées à ses caractéristiques d'hydrogène: la chaleur spécifique et l'évaporation.
Description détaillée des structures
Le premier critère est la quantité nécessaire pour élever la température de 1 gramme d'une substance de 1°C. L'élévation des degrés de l'eau nécessite une quantité de chaleur relativement importante car chaque molécule est impliquée dans de nombreuses liaisons hydrogène qui doivent être rompues pour que l'énergie cinétique augmente. Soit dit en passant, l'abondance de H2O dans les cellules et les tissus de tous les grands organismes multicellulaires signifie que les fluctuations de température à l'intérieur des cellules sont minimisées. Cette caractéristique est cruciale, puisque le taux de la plupart des réactions biochimiquessensible.
La chaleur de vaporisation de l'eau est également nettement supérieure à celle de nombreux autres liquides. Une grande quantité de chaleur est nécessaire pour transformer ce corps en gaz, car les liaisons hydrogène doivent être rompues pour que les molécules d'eau se disloquent les unes des autres et entrent dans ladite phase. Les corps modifiables sont des dipôles permanents et peuvent interagir avec d'autres composés similaires et ceux qui s'ionisent et se dissolvent.
Les autres substances mentionnées ci-dessus ne peuvent entrer en contact qu'en présence de polarité. C'est ce composé qui intervient dans la structure de ces éléments. De plus, il peut s'aligner autour de ces particules formées d'électrolytes, de sorte que les atomes d'oxygène négatifs des molécules d'eau soient orientés vers les cations, et les ions positifs et les atomes d'hydrogène soient orientés vers les anions.
Dans les solides, en règle générale, des réseaux cristallins moléculaires et atomiques se forment. Autrement dit, si l'iode est construit de telle manière qu'il contient I2, , alors dans le dioxyde de carbone solide, c'est-à-dire dans la neige carbonique, les molécules de CO2 sont situé aux nœuds du réseau cristallin . Lorsqu'elle interagit avec des substances similaires, la glace a un réseau cristallin ionique. Le graphite, par exemple, qui a une structure atomique basée sur le carbone, n'est pas capable de la changer, tout comme le diamant.
Que se passe-t-il lorsqu'un cristal de sel de table se dissout dans l'eau: les molécules polaires sont attirées par les éléments chargés du cristal, ce qui entraîne la formation de particules similaires de sodium et de chlorure à sa surface, ce qui donne ces corpssont disloqués les uns des autres, et il commence à se dissoudre. De là, on peut observer que la glace a un réseau cristallin avec une liaison ionique. Chaque Na + dissous attire les extrémités négatives de plusieurs molécules d'eau, tandis que chaque Cl - dissous attire les extrémités positives. La coquille entourant chaque ion s'appelle la sphère d'échappement et contient généralement plusieurs couches de particules de solvant.
Réseau cristallin de glace carbonique
Les variables ou un ion entouré d'éléments sont dits sulfatés. Lorsque le solvant est l'eau, ces particules sont hydratées. Ainsi, toute molécule polaire a tendance à être solvatée par les éléments du corps liquide. Dans la neige carbonique, le type de réseau cristallin forme des liaisons atomiques à l'état d'agrégation, qui sont inchangées. Une autre chose est la glace cristalline (eau gelée). Les composés organiques ioniques tels que la carboxylase et les amines protonées doivent être solubles dans les groupes hydroxyle et carbonyle. Les particules contenues dans de telles structures se déplacent entre les molécules et leurs systèmes polaires forment des liaisons hydrogène avec ce corps.
Bien sûr, le nombre des derniers groupes indiqués dans une molécule affecte sa solubilité, qui dépend également de la réaction de diverses structures dans l'élément: par exemple, les alcools à un, deux et trois carbones sont miscibles avec de l'eau, mais les hydrocarbures plus gros avec des composés hydroxylés simples sont beaucoup moins dilués dans les liquides.
Hexagonal Ih a une forme similaire àréseau cristallin atomique. Pour la glace et toute la neige naturelle sur Terre, cela ressemble exactement à ceci. Ceci est mis en évidence par la symétrie du réseau cristallin de glace, issu de la vapeur d'eau (c'est-à-dire des flocons de neige). C'est dans le groupe d'espace P 63/mm de 194; D 6h, classe Laue 6/mm; similaire à β-, qui a un multiple de 6 axes hélicoïdaux (rotation autour en plus de se déplacer le long de celui-ci). Il a une structure à faible densité assez ouverte où l'efficacité est faible (~ 1/3) par rapport aux structures cubiques simples (~ 1/2) ou cubiques à faces centrées (~ 3/4).
Comparé à la glace ordinaire, le réseau cristallin de la neige carbonique, lié par les molécules de CO2, est statique et ne change que lorsque les atomes se désintègrent.
Description des caillebotis et de leurs éléments
Les cristaux peuvent être considérés comme des modèles cristallins, constitués de feuilles placées les unes au-dessus des autres. La liaison hydrogène est ordonnée, alors qu'en réalité elle est aléatoire, puisque les protons peuvent se déplacer entre les molécules d'eau (glace) à des températures supérieures à environ 5 K. En effet, il est probable que les protons se comportent comme un fluide quantique dans un flux tunnel constant. Ceci est renforcé par la diffusion des neutrons, montrant leur densité de diffusion à mi-chemin entre les atomes d'oxygène, indiquant la localisation et le mouvement concerté. Ici, il y a une similitude entre la glace et un réseau cristallin atomique et moléculaire.
Les molécules ont une disposition échelonnée de la chaîne hydrogènepar rapport à ses trois voisins dans le plan. Le quatrième élément a un arrangement de liaisons hydrogène éclipsées. Il y a un léger écart par rapport à la symétrie hexagonale parfaite, car la cellule unitaire est 0,3% plus courte dans le sens de cette chaîne. Toutes les molécules connaissent les mêmes environnements moléculaires. Il y a suffisamment d'espace à l'intérieur de chaque "boîte" pour contenir des particules d'eau interstitielle. Bien qu'ils ne soient généralement pas pris en compte, ils ont récemment été détectés efficacement par diffraction neutronique du réseau cristallin poudreux de la glace.
Changer les substances
Le corps hexagonal a des points triples avec de l'eau liquide et gazeuse 0,01 ° C, 612 Pa, des éléments solides - trois -21,985 ° C, 209,9 MPa, onze et deux -199,8 ° C, 70 MPa, ainsi que - 34,7 ° C, 212,9 MPa. La constante diélectrique de la glace hexagonale est de 97,5.
La courbe de fusion de cet élément est donnée en MPa. Les équations d'état sont disponibles, en plus d'elles, quelques inégalités simples reliant le changement des propriétés physiques à la température de la glace hexagonale et de ses suspensions aqueuses. La dureté fluctue avec les degrés passant du gypse ou en dessous (≦2) à 0°C au feldspath (6 Mohs) à -80°C, un changement anormalement important de la dureté absolue (> 24 fois).
Le réseau cristallin hexagonal de la glace forme des plaques et des colonnes hexagonales, où les faces supérieure et inférieure sont les plans basaux {0 0 0 1} avec une enthalpie de 5,57 μJ cm -2, et les autres parties latérales équivalentes sont appelées parties du prisme {1 0 -1 0} avec 5, 94µJ cm -2. Les surfaces secondaires {1 1 -2 0} avec 6,90 ΜJ ˣ cm -2 peuvent être formées le long des plans formés par les côtés des structures.
Une telle structure montre une diminution anormale de la conductivité thermique avec l'augmentation de la pression (ainsi que de la glace cubique et amorphe de faible densité), mais diffère de la plupart des cristaux. Cela est dû à une modification de la liaison hydrogène, qui réduit la vitesse transversale du son dans le réseau cristallin de la glace et de l'eau.
Il existe des méthodes décrivant comment préparer de grands échantillons de cristaux et toute surface de glace souhaitée. On suppose que la liaison hydrogène à la surface du corps hexagonal étudié sera plus ordonnée qu'à l'intérieur du système en vrac. La spectroscopie variationnelle avec génération de fréquence de réseau de phase a montré qu'il existe une asymétrie structurelle entre les deux couches supérieures (L1 et L2) dans la chaîne HO souterraine de la surface basale de la glace hexagonale. Les liaisons hydrogène retenues dans les couches supérieures des hexagones (L1 O ··· HO L2) sont plus fortes que celles retenues dans la seconde couche à l'accumulation supérieure (L1 OH ··· O L2). Structures de glace hexagonales interactives disponibles.
Fonctionnalités de développement
Le nombre minimum de molécules d'eau nécessaires pour former de la glace est d'environ 275 ± 25, comme pour un amas icosaédrique complet de 280. La formation se produit à un taux de 10 10 au interface air-eau et non dans l'eau en vrac. La croissance des cristaux de glace dépend de différents taux de croissance de diversénergies. L'eau doit être protégée du gel lors de la cryoconservation d'échantillons biologiques, d'aliments et d'organes.
Ceci est généralement obtenu par des taux de refroidissement rapides, en utilisant de petits échantillons et un cryoconservateur, et en augmentant la pression pour nucléer la glace et prévenir les dommages cellulaires. L'énergie libre de la glace/liquide passe de ~30 mJ/m2 à pression atmosphérique à 40 mJ/m-2 à 200 MPa, indiquant raison pour laquelle cet effet se produit.
Quel type de réseau cristallin est caractéristique de la glace
Alternativement, ils peuvent se développer plus rapidement à partir des surfaces prismatiques (S2), sur la surface aléatoirement perturbée des lacs gelés ou agités. La croissance des faces {1 1 -2 0} est au moins la même, mais les transforme en bases de prisme. Les données sur le développement du cristal de glace ont été entièrement étudiées. Les taux de croissance relatifs des éléments de différentes faces dépendent de la capacité à former un degré élevé d'hydratation des articulations. La température (basse) de l'eau environnante détermine le degré de ramification du cristal de glace. La croissance des particules est limitée par la vitesse de diffusion à un faible degré de surfusion, c'est-à-dire 6 322 312 °C, ce qui entraîne leur augmentation.
Mais limité par la cinétique de développement à des niveaux de dépression plus élevés de >4°C, entraînant la croissance des aiguilles. Cette forme est similaire à la structure de la neige carbonique (a un réseau cristallin avec une structure hexagonale), diverscaractéristiques du développement de la surface et de la température de l'eau environnante (surfondue), qui est à l'origine des formes plates des flocons de neige.
La formation de glace dans l'atmosphère affecte profondément la formation et les propriétés des nuages. Les feldspaths, trouvés dans la poussière du désert qui pénètre dans l'atmosphère en millions de tonnes par an, sont d'importants formateurs. Des simulations informatiques ont montré que cela est dû à la nucléation de plans de cristaux de glace prismatiques sur des plans de surface à haute énergie.
Quelques autres éléments et treillis
Les substances dissoutes (à l'exception de très petits hélium et hydrogène, qui peuvent pénétrer dans les interstices) ne peuvent pas être incluses dans la structure Ih à la pression atmosphérique, mais sont expulsées vers la surface ou la couche amorphe entre les particules de la corps microcristallin. Il existe d'autres éléments sur les sites du réseau de glace carbonique: des ions chaotropes tels que NH4 + et Cl - qui sont inclus dans la congélation liquide plus légère que les autres cosmotropes tels que Na + et SO42-, il n'est donc pas possible de les retirer car ils forment un film mince du liquide restant entre les cristaux. Cela peut conduire à une charge électrique de la surface due à la dissociation de l'eau de surface équilibrant les charges restantes (ce qui peut également conduire à un rayonnement magnétique) et à une modification du pH des films liquides résiduels, par exemple NH 42SO4 devient plus acide et NaCl devient plus basique.
Elles sont perpendiculaires aux facesréseau cristallin de glace montrant la couche suivante attachée (avec des atomes d'O en noir). Ils sont caractérisés par une surface basale à croissance lente {0 0 0 1}, où seules des molécules d'eau isolées sont fixées. Surface {1 0 -1 0} à croissance rapide d'un prisme où des paires de particules nouvellement attachées peuvent se lier les unes aux autres avec de l'hydrogène (une liaison hydrogène/deux molécules d'un élément). La face à croissance la plus rapide est {1 1 -2 0} (prismatique secondaire), où les chaînes de particules nouvellement attachées peuvent interagir les unes avec les autres par liaison hydrogène. L'une de ses chaînes / molécules d'éléments est une forme qui forme des crêtes qui se divisent et encouragent la transformation en deux côtés du prisme.
Entropie du point zéro
Peut être défini comme S 0=k B ˣ Ln (N E0), où k B est la constante de Boltzmann, NE est le nombre de configurations à l'énergie E, et E0 est l'énergie la plus basse. Cette valeur de l'entropie de la glace hexagonale à zéro Kelvin ne viole pas la troisième loi de la thermodynamique "L'entropie d'un cristal idéal au zéro absolu est exactement zéro", puisque ces éléments et particules ne sont pas idéaux, ont une liaison hydrogène désordonnée.
Dans ce corps, la liaison hydrogène est aléatoire et change rapidement. Ces structures ne sont pas exactement égales en énergie, mais s'étendent à un très grand nombre d'états énergétiquement proches, obéissant aux "règles de la glace". L'entropie du point zéro est le désordre qui subsisterait même si le matériau pouvait être refroidi à l'absoluzéro (0K=-273, 15°C). Génère une confusion expérimentale pour la glace hexagonale 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Théoriquement, il serait possible de calculer l'entropie zéro des cristaux de glace connus avec une précision beaucoup plus grande (en négligeant les défauts et la propagation du niveau d'énergie) que de la déterminer expérimentalement.
Les scientifiques et leur travail dans ce domaine
Peut être défini comme S 0=k B ˣ Ln (N E0), où k B est la constante de Boltzmann, NE est le nombre de configurations à l'énergie E, et E0 est l'énergie la plus basse. Cette valeur de l'entropie de la glace hexagonale à zéro Kelvin ne viole pas la troisième loi de la thermodynamique "L'entropie d'un cristal idéal au zéro absolu est exactement zéro", puisque ces éléments et particules ne sont pas idéaux, ont une liaison hydrogène désordonnée.
Dans ce corps, la liaison hydrogène est aléatoire et change rapidement. Ces structures ne sont pas exactement égales en énergie, mais s'étendent à un très grand nombre d'états énergétiquement proches, obéissant aux "règles de la glace". L'entropie du point zéro est le désordre qui subsisterait même si le matériau pouvait être refroidi au zéro absolu (0 K=-273,15°C). Génère une confusion expérimentale pour la glace hexagonale 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Théoriquement, il serait possible de calculer l'entropie zéro des cristaux de glace connus avec une précision beaucoup plus grande (en négligeant les défauts et la propagation du niveau d'énergie) que de la déterminer expérimentalement.
Bien que l'ordre des protons dans la glace en vrac ne soit pas ordonné, la surface préfère probablement l'ordre de ces particules sous la forme de bandes d'atomes H suspendus et de paires simples O (entropie nulle avec des liaisons hydrogène ordonnées). Le désordre du point zéro ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 et autres est trouvé. De tout ce qui précède, il est clair et compréhensible quels types de réseaux cristallins sont caractéristiques de la glace.
