Hielo Ih, Propiedades físicas, Estructura cristalina, Trastorno de protones



Hielo Ih es la forma cristalina hexagonal de hielo ordinario, o agua congelada. Prácticamente todo el hielo en la biosfera es hielo Ih, con la única excepción de una pequeña cantidad de hielo Ic que está ocasionalmente presente en la atmósfera superior. Hielo Ih exhibe muchas propiedades peculiares que son relevantes para la existencia de la vida y la regulación del clima mundial.

Hielo Ih es estable por debajo de -200 C y puede existir a presiones de hasta 0,2 GPa. La estructura cristalina se caracteriza por simetría hexagonal y los ángulos de unión cerca de tetraédricos.

Propiedades físicas

Hielo Ih tiene una densidad menor que el agua líquida, de 0,917 g/cm, debido a la extremadamente baja densidad de su red cristalina. La densidad del hielo Ih aumenta con la disminución de la temperatura.

El calor latente de fusión es de 5.987 J/mol, y su calor latente de sublimación es 50,911 J/mol. El alto calor latente de sublimación es principalmente indicativa de la fuerza de los enlaces de hidrógeno en la red cristalina. El calor latente de fusión es mucho más pequeña en parte porque el agua líquida cerca de 0 C es muy fuertemente H-consolidado ya.

El índice de refracción de hielo Ih es 1,31.

Estructura cristalina

La estructura cristalina aceptada de hielo ordinaria fue propuesto por primera vez por Linus Pauling en 1935 - La estructura del hielo Ih es uno de los aviones más o menos arrugados compuestos de teselados anillos hexagonales, con un átomo de oxígeno en cada vértice, y los bordes de los anillos formado por hidrógeno bonos. Los planos se alternan en un patrón ABAB, con aviones B siendo reflejos de los aviones A lo largo de los mismos ejes que los propios aviones. La distancia entre los átomos de oxígeno a lo largo de cada unión es de aproximadamente 275 horas y es la misma entre dos átomos de oxígeno unidos en la red. El ángulo entre los enlaces en la red cristalina está muy cerca del ángulo tetraédrico de 109,5, que es también muy cerca del ángulo entre átomos de hidrógeno en la molécula de agua, que es 105. Este ángulo tetraédrico unión de la molécula de agua esencialmente representa la inusualmente baja densidad de la red cristalina - que es beneficioso para la red a ser fijado con ángulos tetraédricos a pesar de que hay una penalización energética en el aumento del volumen de la red cristalina. Como resultado, los grandes anillos hexagonales casi dejan suficiente espacio para otra molécula de agua que existe en el interior. Esto da origen natural hielo su propiedad única de ser menos denso que su forma líquida. El hidrógeno unidos a anillos hexagonales tetraédrica rectángulos también son el mecanismo que hace que el agua líquida sea más densa a 4 º C. Cerca 0 C, pequeñas celosías hexagonales de hielo Ih-como formarse en agua líquida, con mayor frecuencia cerca de 0 º C. Este efecto disminuye la densidad del agua, haciendo que sea más densa a 4 º C cuando las estructuras forman con poca frecuencia.

Trastorno de protones

Los protones en la red cristalina se encuentran muy cerca a lo largo de los enlaces de hidrógeno, y de tal manera que cada molécula de agua se conserva. Esto significa que cada átomo de oxígeno en la red tiene dos protones adyacentes a la misma, a aproximadamente 101 horas a lo largo de la pm longitud de la unión 275. La red cristalina permite que una cantidad sustancial de desorden en las posiciones de los protones congelados en la estructura medida que se enfría hasta el cero absoluto. Como resultado, la estructura cristalina contiene algo de entropía residual inherente a la red y se determina por el número de posibles configuraciones de posiciones de protones que se puede formar mientras que todavía mantiene el requisito de que cada átomo de oxígeno para tener sólo dos protones en la proximidad más cercana, y cada uno H-enlace que une dos átomos de oxígeno que tienen sólo un protón. Este S0 entropía residual es igual a 3,5 J mol-1 K-1.

Hay varias maneras de aproximación de este número de primeros principios. Supongamos que hay un número N dado de moléculas de agua. Los átomos de oxígeno forman una red bipartita: se pueden dividir en dos conjuntos, con todos los vecinos de un átomo de oxígeno de un conjunto tumbado en el otro conjunto. Centrar la atención en los átomos de oxígeno en un juego: hay N/2 de ellos. Cada uno tiene 4 puentes de hidrógeno, con dos hidrógenos cerca de ella y dos lejos. Esto significa que hay

permitido configuraciones de hidrógenos de este átomo de oxígeno. Así, hay 6N/2 configuraciones que satisfacen estos N/2 átomos. Pero consideremos ahora el restante N/2 átomos de oxígeno: en general, no estarán satisfechos. Para cada uno de los, hay

posibles ubicaciones de los átomos de hidrógeno a lo largo de sus enlaces de hidrógeno, de las cuales 6 están permitidos. Así que, ingenuamente, esperaríamos que el número total de configuraciones para ser

Utilizando el principio de Boltzmann, se concluye que

donde es la constante de Boltzmann, que produce un valor de 3,37 J mol-1 K-1, un valor muy cercano al valor medido. Esta estimación es "ingenua" porque asume el 6 de 16 configuraciones de hidrógeno para los átomos de oxígeno en el segundo conjunto se puede elegir de forma independiente, lo cual es falso. Métodos más complejos pueden ser empleados para aproximar mejor el número exacto de posibles configuraciones, y lograr resultados más cerca de los valores medidos.

Por el contrario, la estructura del hielo II es muy ordenada de protones, lo que ayuda a explicar el cambio de entropía de 3,22 J/mol cuando la estructura cristalina cambia a la del hielo II. Además, el hielo XI, una forma ortorrómbica, protón-ordenada de hielo Ih, se considera la forma más estable.