Hali ya maji kimiminika yenye mwelekeo-tatu ni vigumu kujifunza, lakini mengi yamepatikana kwa kuchanganua muundo wa fuwele za barafu. Atomi nne za jirani za oksijeni zinazoingiliana na hidrojeni huchukua vipeo vya tetrahedron (tetra=nne, hedroni=ndege). Wastani wa nishati inayohitajika ili kuvunja uhusiano huo katika barafu inakadiriwa kuwa 23 kJ/mol-1.
Uwezo wa molekuli za maji kuunda idadi fulani ya minyororo ya hidrojeni, pamoja na nguvu fulani, hutokeza kiwango cha juu cha kuyeyuka kisicho kawaida. Wakati inayeyuka, inashikiliwa na maji ya kioevu, muundo ambao ni wa kawaida. Vifungo vingi vya hidrojeni vinapotoshwa. Huhitaji kiasi kikubwa cha nishati katika mfumo wa joto kuvunja kimiani ya fuwele ya barafu iliyounganishwa na hidrojeni.
Sifa za kuonekana kwa barafu (Ih)
Wengi wa wakaazi wanashangaa ni aina gani ya barafu ya kimiani yenye fuwele. MuhimuIkumbukwe kwamba msongamano wa vitu vingi huongezeka wakati wa kufungia, wakati harakati za Masi hupungua na fuwele zilizojaa sana huunda. Msongamano wa maji pia huongezeka kadri yanavyopoa hadi kiwango cha juu cha 4°C (277K). Kisha, halijoto inaposhuka chini ya thamani hii, huongezeka.
Ongezeko hili linatokana na kuundwa kwa fuwele ya barafu iliyo wazi, iliyounganishwa na hidrojeni pamoja na kimiani na msongamano wa chini, ambapo kila molekuli ya maji hufungamana kwa uthabiti na kipengele kilicho hapo juu na maadili mengine manne, huku ikisogea kwa kasi ya kutosha kuwa na wingi zaidi. Kwa kuwa hatua hii hutokea, kioevu hufungia kutoka juu hadi chini. Hii ina matokeo muhimu ya kibaolojia, kama matokeo ambayo safu ya barafu kwenye bwawa huhami viumbe hai mbali na baridi kali. Kwa kuongeza, sifa mbili za ziada za maji zinahusiana na sifa zake za hidrojeni: joto maalum na uvukizi.
Maelezo ya kina ya miundo
Kigezo cha kwanza ni kiasi kinachohitajika ili kuongeza joto la gramu 1 ya dutu kwa 1°C. Kuinua viwango vya maji kunahitaji kiasi kikubwa cha joto kwa sababu kila molekuli inahusika katika vifungo vingi vya hidrojeni ambavyo lazima vivunjwe ili nishati ya kinetiki iongezeke. Kwa njia, wingi wa H2O katika seli na tishu za viumbe vyote vikubwa vyenye seli nyingi humaanisha kuwa mabadiliko ya halijoto ndani ya seli hupunguzwa. Kipengele hiki ni muhimu, kwa kuwa kiwango cha athari nyingi za biochemicalnyeti.
Joto la mvuke wa maji pia ni kubwa zaidi kuliko lile la vimiminika vingine vingi. Kiasi kikubwa cha joto kinahitajika ili kubadilisha mwili huu kuwa gesi, kwa sababu vifungo vya hidrojeni lazima vivunjwe ili molekuli za maji ziondoke kutoka kwa kila mmoja na kuingia katika awamu iliyotajwa. Miili inayoweza kubadilika ni dipole za kudumu na zinaweza kuingiliana na viambajengo vingine sawa na vile vinavyotengeza ioni na kuyeyusha.
Vitu vingine vilivyotajwa hapo juu vinaweza kuguswa ikiwa tu kuna upendeleo. Ni kiwanja hiki kinachohusika katika muundo wa vipengele hivi. Kwa kuongeza, inaweza kujipanga kuzunguka chembe hizi zinazoundwa kutoka kwa elektroliti, ili atomi hasi za oksijeni za molekuli za maji zielekezwe kwenye mikono, na ioni chanya na atomi za hidrojeni zielekezwe kwa anions.
Katika vitu vizito, kama sheria, lati za kioo za molekuli na zile za atomiki huundwa. Hiyo ni, ikiwa iodini imeundwa kwa njia ambayo ina I2, , kisha katika kaboni dioksidi gumu, yaani, kwenye barafu kavu, molekuli za CO2 iko kwenye nodi za kimiani za kioo . Wakati wa kuingiliana na vitu sawa, barafu ina kimiani ya kioo ya ionic. Graphite, kwa mfano, ambayo ina muundo wa atomiki kulingana na kaboni, haiwezi kuibadilisha, kama almasi.
Nini hutokea wakati fuwele ya chumvi ya meza inapoyeyuka ndani ya maji: molekuli za polar huvutiwa na vipengele vilivyochajiwa katika fuwele, ambayo husababisha kutokea kwa chembechembe zinazofanana za sodiamu na kloridi kwenye uso wake, na kusababisha miili hii.hutolewa kutoka kwa kila mmoja, na huanza kufuta. Kuanzia hapa inaweza kuzingatiwa kuwa barafu ina kimiani ya fuwele na kuunganisha ionic. Kila Na + iliyoyeyushwa huvutia ncha mbaya za molekuli kadhaa za maji, wakati kila Cl iliyoyeyushwa - huvutia ncha nzuri. Ganda linalozunguka kila ayoni huitwa duara la kutoroka na kwa kawaida huwa na tabaka kadhaa za chembe za kuyeyusha.
Miani kavu ya kioo ya barafu
Vigezo au ayoni iliyozungukwa na vipengee inasemekana kuwa na salfa. Wakati kutengenezea ni maji, chembe hizo hutiwa maji. Kwa hivyo, molekuli yoyote ya polar huwa na kutatuliwa na vipengele vya mwili wa kioevu. Katika barafu kavu, aina ya kimiani ya kioo huunda vifungo vya atomiki katika hali ya mkusanyiko, ambayo haibadilika. Kitu kingine ni barafu ya fuwele (maji yaliyohifadhiwa). Misombo ya kikaboni ya ioni kama vile kaboksili na amini zenye protoni lazima zimumunyike katika vikundi vya haidroksili na kabonili. Chembe zilizomo katika miundo kama hii husogea kati ya molekuli, na mifumo yao ya polar huunda vifungo vya hidrojeni na mwili huu.
Bila shaka, idadi ya vikundi vilivyoonyeshwa mwisho katika molekuli huathiri umumunyifu wake, ambayo pia inategemea mmenyuko wa miundo mbalimbali katika kipengele: kwa mfano, alkoholi za kaboni moja, mbili na tatu huchanganyika. pamoja na maji, lakini hidrokaboni kubwa zilizo na misombo moja ya hidroksili huyeyuka katika vimiminika.
Hexagonal Ih inafanana kwa umbo nakimiani kioo cha atomiki. Kwa barafu na theluji yote ya asili duniani, inaonekana kama hii. Hii inathibitishwa na ulinganifu wa kimiani ya kioo ya barafu, iliyopandwa kutoka kwa mvuke wa maji (yaani, theluji za theluji). Iko katika kundi la nafasi P 63/mm kutoka 194; D 6h, darasa la Laue 6 / mm; sawa na β-, ambayo ina msururu wa mhimili 6 wa helical (mzunguko wa kuzunguka pamoja na kuhama kando yake). Ina muundo wa msongamano wa chini ulio wazi ambapo ufanisi ni wa chini (~1/3) ikilinganishwa na ujazo rahisi (~1/2) au miundo ya ujazo (~3/4) iliyozingatia uso.
Ikilinganishwa na barafu ya kawaida, mwalo wa kioo wa barafu kavu, unaofungwa na molekuli CO2, ni tuli na hubadilika tu wakati atomi zinapooza.
Maelezo ya gratings na vipengele vyake
Fuwele zinaweza kutazamwa kama miundo ya fuwele, inayojumuisha laha zilizowekwa moja juu ya nyingine. Dhamana ya hidrojeni imeagizwa, wakati kwa kweli ni ya nasibu, kwa kuwa protoni zinaweza kusonga kati ya molekuli za maji (barafu) kwa joto la juu ya K 5. Hakika, kuna uwezekano kwamba protoni hutenda kama maji ya quantum katika mtiririko wa mara kwa mara wa tunnel. Hii inaimarishwa na mtawanyiko wa neutroni, kuonyesha msongamano wao wa kutawanyika katikati ya atomi za oksijeni, kuonyesha ujanibishaji na mwendo wa pamoja. Hapa kuna mfanano wa barafu na kimiani ya kioo ya atomiki, molekuli.
Molekuli zina mpangilio tulivu wa mnyororo wa hidrojenikwa heshima na majirani zake watatu katika ndege. Kipengele cha nne kina mpangilio wa dhamana ya hidrojeni iliyofunikwa. Kuna kupotoka kidogo kutoka kwa ulinganifu kamili wa hexagonal, kwani seli ya kitengo ni fupi kwa 0.3% katika mwelekeo wa mnyororo huu. Molekuli zote hupata mazingira sawa ya molekuli. Kuna nafasi ya kutosha ndani ya kila "sanduku" kushikilia chembe za maji ya unganisho. Ingawa hazizingatiwi kwa ujumla, zimegunduliwa hivi majuzi kwa ufasaha kwa mtengano wa nutroni wa kimiani ya unga wa barafu.
Kubadilisha Madawa
Kiini cha pembe sita kina pointi tatu zenye maji ya kioevu na gesi 0.01 ° C, 612 Pa, vipengele dhabiti - tatu -21.985 ° C, 209.9 MPa, kumi na moja na mbili -199.8 ° C, MPa 70, na vile vile - 34.7 ° C, MPa 212.9. Safu ya dielectric ya barafu ya hexagonal ni 97.5.
Mwingo wa kuyeyuka wa kipengele hiki unatolewa na MPa. Equations za serikali zinapatikana, pamoja nao, baadhi ya usawa rahisi unaohusiana na mabadiliko ya mali ya kimwili kwa joto la barafu ya hexagonal na kusimamishwa kwake kwa maji. Ugumu hubadilika na digrii kupanda kutoka au chini ya jasi (≦2) kwa 0°C hadi feldspar (6 Mohs) saa -80°C, badiliko kubwa lisilo la kawaida la ugumu kabisa (> mara 24).
Miani ya fuwele ya barafu yenye pembe sita huunda bamba na safu wima zenye umbo la sita, ambapo nyuso za juu na chini ni ndege za msingi {0 0 0 1} zenye enthalpy ya 5.57 μJ cm -2, na sehemu zingine za kando zinazolingana huitwa sehemu za mche {1 0 -1 0} na 5, 94.µJ cm -2. Nyuso za upili {1 1 -2 0} zenye 6.90 ΜJ ˣ cm -2 zinaweza kuundwa kando ya ndege zinazoundwa na pande za miundo.
Muundo kama huu unaonyesha kupungua kwa njia isiyo ya kawaida kwa mshikamano wa joto pamoja na shinikizo la kuongezeka (pamoja na barafu ya ujazo na amofasi ya msongamano wa chini), lakini hutofautiana na fuwele nyingi. Hii ni kutokana na mabadiliko katika dhamana ya hidrojeni, ambayo hupunguza kasi ya kupitisha sauti katika kimiani ya fuwele ya barafu na maji.
Kuna mbinu zinazoelezea jinsi ya kuandaa sampuli kubwa za fuwele na sehemu yoyote ya barafu unayotaka. Inachukuliwa kuwa dhamana ya hidrojeni juu ya uso wa mwili wa hexagonal chini ya utafiti itaagizwa zaidi kuliko ndani ya mfumo wa wingi. Utazamaji tofauti na kizazi cha masafa ya kimiani cha awamu umeonyesha kuwa kuna ulinganifu wa kimuundo kati ya tabaka mbili za juu (L1 na L2) katika mnyororo wa chini ya uso wa HO wa uso wa msingi wa barafu ya hexagonal. Vifungo vya hidrojeni vilivyopitishwa katika tabaka za juu za hexagons (L1 O ··· HO L2) ni nguvu zaidi kuliko yale yaliyokubaliwa kwenye safu ya pili kwa mkusanyiko wa juu (L1 OH ··· O L2). Miundo ya mwingiliano ya barafu yenye pembe sita inapatikana.
Sifa za Maendeleo
Idadi ya chini zaidi ya molekuli za maji zinazohitajika kuunda barafu ni takriban 275 ± 25, kama kwa nguzo kamili ya icosahedral ya 280. Uundaji hutokea kwa kasi ya 10 10 kiolesura cha hewa-maji na si kwa maji mengi. Ukuaji wa fuwele za barafu hutegemea viwango tofauti vya ukuaji wa anuwainishati. Maji lazima yalindwe dhidi ya kuganda wakati wa kuhifadhi vielelezo vya kibiolojia, vyakula na viungo vyake.
Hii kwa kawaida hupatikana kwa viwango vya kupoeza kwa haraka, kwa kutumia sampuli ndogo na kihifadhiainishi, na kuongezeka kwa shinikizo ili kutengeneza barafu na kuzuia uharibifu wa seli. Nishati isiyolipishwa ya barafu/kioevu huongezeka kutoka ~30 mJ/m2 kwa shinikizo la anga hadi 40 mJ/m-2 kwa MPa 200, kuashiria sababu kwa nini athari hii hutokea.
Ni aina gani ya kimiani ya fuwele ni sifa ya barafu
Vinginevyo, zinaweza kukua kwa kasi zaidi kutoka kwenye sehemu za prism (S2), kwenye uso uliochafuliwa nasibu wa maziwa yaliyogandishwa haraka au yaliyochafuka. Ukuaji kutoka kwa nyuso {1 1 -2 0} ni angalau sawa, lakini huzigeuza kuwa besi za prism. Data juu ya maendeleo ya kioo cha barafu imechunguzwa kikamilifu. Viwango vya ukuaji wa jamaa wa vipengele vya nyuso tofauti hutegemea uwezo wa kuunda kiwango kikubwa cha maji ya pamoja. Joto (chini) la maji yanayozunguka huamua kiwango cha matawi katika kioo cha barafu. Ukuaji wa chembechembe hupunguzwa na kasi ya usambaaji kwa kiwango cha chini cha ubaridi mkuu, yaani <2 ° C, hivyo kusababisha nyingi zaidi.
Lakini imezuiliwa na kinetiki za ukuzaji katika viwango vya juu vya mfadhaiko wa >4°C, na kusababisha ukuaji wa sindano. Umbo hili ni sawa na muundo wa barafu kavu (ina kimiani ya kioo yenye muundo wa hexagonal), mbalimbali.sifa za ukuzaji wa uso na halijoto ya maji yanayozunguka (yaliyopozwa kupita kiasi), ambayo ni nyuma ya maumbo bapa ya vipande vya theluji.
Kuundwa kwa barafu katika angahewa huathiri pakubwa uundaji na sifa za mawingu. Feldspars, inayopatikana katika vumbi la jangwa ambalo huingia angani kwa mamilioni ya tani kwa mwaka, ni watangulizi muhimu. Uigaji wa kompyuta umeonyesha kuwa hii ni kutokana na upanuzi wa ndege za kioo cha barafu kwenye ndege zenye nishati nyingi.
Vipengee vingine na lati
Vitu vilivyoyeyushwa (isipokuwa heliamu ndogo sana na hidrojeni, ambayo inaweza kuingia kwenye viunga) haviwezi kujumuishwa katika muundo wa Ih kwa shinikizo la angahewa, lakini hulazimika kutoka kwenye uso au safu ya amofasi kati ya chembe za amofasi. mwili wa microcrystalline. Kuna baadhi ya vipengele vingine kwenye miamba ya barafu kavu: ioni za chaotropic kama vile NH4 + na Cl - ambazo zimejumuishwa katika kuganda kwa umajimaji mwepesi kuliko zile zingine za cosmotropiki kama vile Na + na SO42-, hivyo kuwaondoa haiwezekani kutokana na ukweli kwamba huunda filamu nyembamba ya kioevu iliyobaki kati ya fuwele. Hii inaweza kusababisha chaji ya umeme ya uso kwa sababu ya kutengana kwa maji ya uso kusawazisha chaji iliyobaki (ambayo inaweza pia kusababisha mionzi ya sumaku) na mabadiliko ya pH ya filamu za kioevu zilizobaki, k.m. NH 42SO4 inakuwa na tindikali zaidi na NaCl inakuwa ya msingi zaidi.
Zinafanana kwa surakimiani ya barafu inayoonyesha safu inayofuata iliyoambatishwa (yenye atomi za O katika nyeusi). Zina sifa ya uso wa basal unaokua polepole {0 0 0 1}, ambapo molekuli za maji pekee ndizo zimeunganishwa. Sehemu inayokua kwa kasi {1 0 -1 0} ya mche ambapo jozi za chembe mpya zilizounganishwa zinaweza kushikamana na hidrojeni (bondi moja ya hidrojeni/molekuli mbili za kipengele). Uso unaokua kwa kasi zaidi ni {1 1 -2 0} (prismatic ya sekondari), ambapo minyororo ya chembe mpya zilizounganishwa zinaweza kuingiliana kwa kuunganisha hidrojeni. Moja ya minyororo/molekuli yake ya kipengele ni umbo linalounda matuta ambayo hugawanya na kuhimiza mabadiliko katika pande mbili za mche.
entropy point sifuri
Inaweza kufafanuliwa kama S 0=k B ˣ Ln (N E0), ambapo k B ni kiwango kisichobadilika cha Boltzmann, NE ni idadi ya usanidi katika nishati E, na E0 ndiyo nishati ya chini kabisa. Thamani hii kwa entropi ya barafu ya hexagonal katika sifuri Kelvin haikiuki sheria ya tatu ya thermodynamics "Entropi ya fuwele bora katika sifuri kabisa ni sifuri kabisa", kwa kuwa vipengele na chembe hizi si bora, zimeunganishwa kwa hidrojeni.
Katika mwili huu, dhamana ya hidrojeni haibadiliki na inabadilika haraka. Miundo hii si sawa katika nishati, lakini inaenea kwa idadi kubwa sana ya majimbo ya karibu kwa nguvu, kutii "sheria za barafu". Hatua sifuri entropy ni shida ambayo ingebaki hata ikiwa nyenzo zinaweza kupozwa kabisasifuri (0 K=-273, 15 ° C). Huzalisha mkanganyiko wa majaribio kwa barafu yenye pembe sita 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Kinadharia, itawezekana kukokotoa sifuri entropy ya fuwele za barafu inayojulikana kwa usahihi zaidi (kupuuza kasoro na kuenea kwa kiwango cha nishati) kuliko kubainisha kwa majaribio.
Wanasayansi na kazi zao katika eneo hili
Inaweza kufafanuliwa kama S 0=k B ˣ Ln (N E0), ambapo k B ni kiwango kisichobadilika cha Boltzmann, NE ni idadi ya usanidi katika nishati E, na E0 ndiyo nishati ya chini kabisa. Thamani hii kwa entropi ya barafu ya hexagonal katika sifuri Kelvin haikiuki sheria ya tatu ya thermodynamics "Entropi ya fuwele bora katika sifuri kabisa ni sifuri kabisa", kwa kuwa vipengele na chembe hizi si bora, zimeunganishwa kwa hidrojeni.
Katika mwili huu, dhamana ya hidrojeni haibadiliki na inabadilika haraka. Miundo hii si sawa katika nishati, lakini inaenea kwa idadi kubwa sana ya majimbo ya karibu kwa nguvu, kutii "sheria za barafu". Entropy ya pointi sifuri ni ugonjwa ambao ungebaki hata kama nyenzo zingeweza kupozwa hadi sufuri kabisa (0 K=-273.15°C). Huzalisha mkanganyiko wa majaribio kwa barafu yenye pembe sita 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Kinadharia, itawezekana kukokotoa sifuri entropy ya fuwele za barafu inayojulikana kwa usahihi zaidi (kupuuza kasoro na kuenea kwa kiwango cha nishati) kuliko kubainisha kwa majaribio.
Ingawa mpangilio wa protoni kwa wingi wa barafu haujapangwa, uso labda unapendelea mpangilio wa chembe hizi katika umbo la mikanda ya kuning'inia H-atomi na O-moja jozi (ziro entropy yenye bondi za hidrojeni zilizoagizwa). Ugonjwa wa nukta sifuri ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 na wengine hupatikana. Kutoka kwa yote yaliyo hapo juu, ni wazi na inaeleweka ni aina gani za lati za fuwele ni tabia ya barafu.
