De driedimensionale toestand van vloeibaar water is moeilijk te bestuderen, maar er is veel geleerd door de structuur van ijskristallen te analyseren. Vier aangrenzende waterstofgebonden zuurstofatomen bezetten de hoekpunten van een tetraëder (tetra = vier, hedron = vlak). De gemiddelde energie die nodig is om zo’n binding in ijs te verbreken wordt geschat op 23 kJ/mol-1.
Het vermogen van watermoleculen om een bepaald aantal waterstofketens te vormen, evenals de gespecificeerde sterkte, zorgen voor een ongewoon hoog smeltpunt. Wanneer het smelt, wordt het vastgehouden door vloeibaar water, waarvan de structuur onregelmatig is. De meeste waterstofbruggen zijn vervormd. Om het waterstofgebonden kristalrooster van ijs te vernietigen is een grote hoeveelheid energie in de vorm van warmte nodig.
Kenmerken van het uiterlijk van ijs (Ih)
Veel gewone mensen vragen zich af wat voor soort kristalroosterijs heeft. Opgemerkt moet worden dat de dichtheid van de meeste stoffen toeneemt bij bevriezing, wanneer de moleculaire bewegingen vertragen en er zich dicht opeengepakte kristallen vormen. De dichtheid van water neemt ook toe als het afkoelt tot zijn maximum bij 4°C (277K). Wanneer de temperatuur vervolgens onder deze waarde daalt, zet het uit.
Deze toename is te wijten aan de vorming van een open waterstofgebonden ijskristal met zijn rooster en lagere dichtheid, waarbij elk watermolecuul stevig gebonden is door het bovenstaande element en vier andere waarden, en nog steeds snel genoeg beweegt om meer massa te hebben. Terwijl deze actie plaatsvindt, bevriest de vloeistof van boven naar beneden. Dit heeft belangrijke biologische gevolgen, waarbij een ijslaag op een vijver levende wezens isoleert tegen extreme kou. Bovendien houden twee extra eigenschappen van water verband met de waterstofeigenschappen ervan: soortelijke warmtecapaciteit en verdamping.
Gedetailleerde beschrijving van structuren
Het eerste criterium is de hoeveelheid die nodig is om 1 gram van een stof 1°C in temperatuur te laten stijgen. Het verhogen van de watergraad vereist een relatief grote hoeveelheid warmte, omdat elk molecuul betrokken is bij talloze waterstofbruggen die moeten worden verbroken om de kinetische energie te laten toenemen. Overigens betekent de overvloed aan H 2 O in de cellen en weefsels van alle grote meercellige organismen dat temperatuurschommelingen in de cellen tot een minimum worden beperkt. Dit kenmerk is van cruciaal belang omdat de meeste biochemische reacties snelheidsgevoelig zijn.
Ook aanzienlijk hoger dan veel andere vloeistoffen. Om deze vaste stof in een gas om te zetten is een grote hoeveelheid warmte nodig, omdat de waterstofbruggen moeten worden verbroken zodat de watermoleculen van elkaar kunnen ontwrichten en de genoemde fase kunnen binnengaan. Variabele lichamen zijn permanente dipolen en kunnen interageren met andere soortgelijke verbindingen en verbindingen die geïoniseerd en opgelost zijn.
Andere hierboven genoemde stoffen kunnen alleen in contact komen als er polariteit aanwezig is. Het is deze verbinding die betrokken is bij de structuur van deze elementen. Bovendien kan het zich rond deze uit elektrolyten gevormde deeltjes uitlijnen, zodat de negatieve zuurstofatomen van de watermoleculen naar de kationen zijn gericht, en de positieve ionen en waterstofatomen naar de anionen zijn gericht.
In de regel worden moleculaire kristalroosters en atomaire roosters gevormd. Dat wil zeggen, als jodium zo is gestructureerd dat I2 erin aanwezig is, dan zitten er in vast koolstofdioxide, dat wil zeggen in droogijs, CO2-moleculen op de knooppunten van het kristalrooster. Bij interactie met dergelijke stoffen heeft ijs een ionisch kristalrooster. Grafiet heeft bijvoorbeeld een atomaire structuur gebaseerd op koolstof en kan deze niet veranderen, net als diamant.
Wat gebeurt er als een tafelzoutkristal oplost in water: polaire moleculen worden aangetrokken door de geladen elementen in het kristal, wat leidt tot de vorming van vergelijkbare natrium- en chloridedeeltjes op het oppervlak, waardoor deze lichamen van elkaar ontwrichten, en het begint op te lossen. Hieruit kan worden afgeleid dat ijs een kristalrooster heeft met ionische binding. Elke opgeloste Na+ trekt de negatieve uiteinden van verschillende watermoleculen aan, terwijl elke opgeloste Cl- de positieve uiteinden aantrekt. De schil die elk ion omringt, wordt een ontsnappingsbol genoemd en bevat meestal meerdere lagen oplosmiddeldeeltjes.
Van de variabelen of het ion omgeven door elementen wordt gezegd dat ze gesulfateerd zijn. Wanneer water het oplosmiddel is, worden dergelijke deeltjes gehydrateerd. Elk polair molecuul heeft dus de neiging om te worden opgelost door elementen van het vloeibare lichaam. In droogijs vormt het type kristalrooster atomaire bindingen in de geaggregeerde toestand die onveranderd blijven. Kristallijn ijs (bevroren water) is een andere zaak. Ionische organische verbindingen zoals carboxylasen en geprotoneerde aminen moeten oplosbaar zijn in hydroxyl- en carbonylgroepen. Deeltjes in dergelijke structuren bewegen tussen moleculen, en hun polaire systemen vormen waterstofbruggen met dit lichaam.
Uiteraard beïnvloedt het aantal van laatstgenoemde groepen in een molecuul de oplosbaarheid ervan, wat ook afhangt van de reactie van de verschillende structuren in het element: alcoholen met één, twee en drie koolstofatomen zijn bijvoorbeeld mengbaar in water, maar grotere koolwaterstoffen met enkele hydroxylverbindingen zijn veel minder verdund in vloeistoffen.
Zeshoekige Ih is qua vorm vergelijkbaar met het atomaire kristalrooster. Voor ijs en alle natuurlijke sneeuw op aarde ziet het er precies zo uit. Dit blijkt uit de symmetrie van het ijskristalrooster dat is gegroeid uit waterdamp (dat wil zeggen sneeuwvlokken). Gelegen in ruimtegroep P 63/mm met 194; D 6h, Laue-klasse 6/mm; vergelijkbaar met β-, dat een veelvoud van 6 spiraalvormige assen heeft (rotatie rond en schuif erlangs). Het heeft een vrij open structuur met een lage dichtheid, waarbij de efficiëntie laag is (~1/3) vergeleken met eenvoudige kubieke (~1/2) of vlakgecentreerde kubieke (~3/4) structuren.
Vergeleken met gewoon ijs is het kristalrooster van droogijs, gebonden door CO 2 -moleculen, statisch en verandert het alleen als atomen vervallen.
Beschrijving van roosters en hun samenstellende elementen
Kristallen kunnen worden gezien als kristallijne patronen bestaande uit op elkaar gestapelde vellen. Waterstofbinding wordt geordend terwijl het in werkelijkheid willekeurig is, omdat protonen zich tussen water(ijs)moleculen kunnen bewegen bij temperaturen boven ongeveer 5 K. Het is inderdaad waarschijnlijk dat protonen zich gedragen als een kwantumvloeistof in een constante tunnelstroming. Dit wordt versterkt door de verstrooiing van neutronen die hun verstrooiingsdichtheid halverwege tussen de zuurstofatomen laten zien, wat lokalisatie en gecoördineerde beweging aangeeft. Hier wordt de gelijkenis van ijs met een atomair, moleculair kristalrooster waargenomen.
De moleculen hebben een getrapte opstelling van de waterstofketen ten opzichte van hun drie buren in het vlak. Het vierde element heeft een verduisterde waterstofbrugopstelling. Er is een kleine afwijking van de perfecte zeshoekige symmetrie, maar liefst 0,3% korter in de richting van deze ketting. Alle moleculen ervaren dezelfde moleculaire omgeving. Er is voldoende ruimte in elke “doos” om interstitiële waterdeeltjes vast te houden. Hoewel ze niet algemeen worden overwogen, zijn ze onlangs effectief gedetecteerd door neutronendiffractie van poedervormig ijskristalrooster.
Verandering van stoffen
Het zeshoekige lichaam heeft drievoudige punten met vloeibaar en gasvormig water 0,01 °C, 612 Pa, vaste elementen drie -21,985 °C, 209,9 MPa, elf en twee -199,8 °C, 70 MPa en -34,7 °C, 212,9 MPa . De diëlektrische constante van hexagonaal ijs is 97,5.
De smeltcurve van dit element wordt gegeven door MPa. Er zijn toestandsvergelijkingen beschikbaar, naast enkele eenvoudige ongelijkheden die de verandering in fysische eigenschappen in verband brengen met de temperatuur van hexagonaal ijs en zijn waterige suspensies. De hardheid varieert met de graden, oplopend van ongeveer of onder gips (≤2) bij 0°C tot veldspaatniveaus (6 bij -80°C, een abnormaal grote verandering in absolute hardheid (>24 keer).
Het hexagonale kristalrooster van ijs vormt hexagonale platen en kolommen, waarbij de boven- en onderkant de basale vlakken (0 0 0 1) zijn met een enthalpie van 5,57 μJ cm -2, en de andere equivalente zijvlakken prismadelen worden genoemd (1 0 -1 0) met 5,94 µJ cm -2. Secundaire oppervlakken (1 1 -2 0) met 6,90 μJ ˣ cm -2 kunnen worden gevormd langs de vlakken gevormd door de zijkanten van de constructies.
Deze structuur vertoont een abnormale afname van de thermische geleidbaarheid bij toenemende druk (zoals kubisch en amorf ijs met lage dichtheid), maar verschilt van de meeste kristallen. Dit komt door een verandering in de waterstofbinding, waardoor de transversale geluidssnelheid in het kristalrooster van ijs en water afneemt.
Er zijn methoden die beschrijven hoe grote kristalmonsters en elk gewenst ijsoppervlak moeten worden voorbereid. Aangenomen wordt dat de waterstofbinding op het oppervlak van het onderzochte zeshoekige lichaam meer geordend zal zijn dan binnen het bulksysteem. Fase-rooster frequentie-oscillerende variatiespectroscopie heeft aangetoond dat er een structurele asymmetrie bestaat tussen de bovenste twee lagen (L1 en L2) in de ondergrondse HO-keten van het basale oppervlak van hexagonaal ijs. De waterstofbruggen in de bovenste lagen van de zeshoeken (L1 O ··· HO L2) zijn sterker dan die in de tweede laag van de bovenste accumulatie (L1 OH ··· O L2). Interactieve zeshoekige ijsstructuren beschikbaar.
Kenmerken van ontwikkeling
Het minimumaantal watermoleculen dat nodig is voor ijskiemvorming is ongeveer 275 ± 25, hetzelfde als voor een volledige icosahedrale cluster van 280. De vorming vindt plaats met een factor 10 10 op het lucht-watergrensvlak in plaats van in bulkwater. De groei van ijskristallen hangt af van verschillende groeisnelheden van verschillende energieën. Water moet worden beschermd tegen bevriezing tijdens cryopreservatie van biologische monsters, voedsel en organen.
Dit wordt doorgaans bereikt door snelle afkoelsnelheden, het gebruik van kleine monsters en een cryoconservator, en toenemende druk om ijs te kiemen en celbeschadiging te voorkomen. De vrije energie van ijs/vloeistof neemt toe van ~30 mJ/m2 bij atmosferische druk tot 40 mJ/m2 bij 200 MPa, wat de reden aangeeft waarom dit effect optreedt.
Als alternatief kunnen ze sneller groeien vanaf prisma-oppervlakken (S2), op willekeurig verstoorde oppervlakken van plotseling bevroren of verstoorde meren. De groei van de vlakken (1 1 -2 0) is minstens hetzelfde, maar verandert ze in de basis van een prisma. Gegevens over de ontwikkeling van ijskristallen zijn volledig onderzocht. De relatieve groeisnelheid van elementen met verschillende gezichten hangt af van het vermogen om een grotere mate van gewrichtshydratatie te vormen. De (lage) temperatuur van het omringende water bepaalt de mate van vertakking in het ijskristal. De deeltjesgroei wordt beperkt door de diffusiesnelheid bij lage graden van onderkoeling, d.w.z.<2 ° C, что приводит к большему их количеству.
Maar het wordt beperkt door de ontwikkelingskinetiek bij hogere niveaus van verlagingsgraden >4°C, wat leidt tot naaldachtige groei. Deze vorm is vergelijkbaar met de structuur van droogijs (heeft een kristalrooster met een zeshoekige structuur), verschillende kenmerken van de oppervlakteontwikkeling en de temperatuur van het omringende (onderkoelde) water dat achter de platte vormen van sneeuwvlokken ligt.
De vorming van ijs in de atmosfeer heeft een diepgaande invloed op de vorming en eigenschappen van wolken. Veldspaat, gevonden in woestijnstof dat met miljoenen tonnen per jaar in de atmosfeer terechtkomt, zijn belangrijke formatieven. Computersimulaties hebben aangetoond dat dit te wijten is aan de kernvorming van vlakken van prismatische ijskristallen op hoogenergetische oppervlaktevlakken.
Enkele andere elementen en roosters
Opgeloste stoffen (behalve een zeer kleine hoeveelheid helium en waterstof, die tussenruimten kunnen binnendringen) kunnen bij atmosferische druk niet in de Ih-structuur worden opgenomen, maar worden naar het oppervlak of een amorfe laag tussen de deeltjes van het microkristallijne lichaam gedwongen. Op de plaatsen van het kristalrooster van droogijs zijn er nog enkele andere elementen: chaotrope ionen, zoals NH 4 + en Cl -, die gemakkelijker worden opgenomen in het bevriezen van de vloeistof dan andere kosmotrope ionen, zoals Na + en SO 4 2-, dus verwijdering ervan is onmogelijk, vanwege het feit dat ze een dunne film vormen van de resterende vloeistof tussen de kristallen. Dit kan leiden tot elektrische lading van het oppervlak als gevolg van de dissociatie van oppervlaktewater, waardoor de resterende ladingen in evenwicht worden gebracht (wat ook kan resulteren in magnetische straling) en een verandering in de pH van de resterende vloeistoffilms, bijvoorbeeld NH 4 2 SO 4 die meer wordt. zuur en NaCl wordt alkalischer.
Ze staan loodrecht op de vlakken van het ijskristalrooster en laten de aangehechte volgende laag zien (met O-zwarte atomen). Ze worden gekenmerkt door een langzaam groeiend basaal oppervlak (0 0 0 1), waar alleen geïsoleerde watermoleculen aan vastzitten. Een snelgroeiend (1 0 -1 0) oppervlak van een prisma, waar paren nieuw bevestigde deeltjes met elkaar kunnen binden met waterstof (één binding/twee moleculen van het element). Het snelst groeiende vlak is (1 1 -2 0) (secundair prismatisch), waar ketens van nieuw bevestigde deeltjes met elkaar kunnen interageren door middel van waterstofbinding. Eén van de keten-/elementmoleculen is een vorm die randen vormt die de transformatie naar twee zijden van het prisma verdelen en bevorderen.
Nulpunt-entropie
KBˣ Ln ( N
Wetenschappers en hun werk op dit gebied
Kan worden gedefinieerd als S 0 = KBˣ Ln ( N E0), waarbij k B de constante van Boltzmann is, NE het aantal configuraties bij energie E is en E0 de laagste energie. Deze waarde voor de entropie van hexagonaal ijs bij nul Kelvin is niet in strijd met de derde wet van de thermodynamica: “De entropie van een ideaal kristal bij het absolute nulpunt is precies nul”, aangezien deze elementen en deeltjes niet ideaal zijn en een verstoorde waterstofbinding hebben.
In dit lichaam is de waterstofbinding willekeurig en verandert snel. Deze structuren zijn niet precies gelijk qua energie, maar strekken zich uit tot een zeer groot aantal energetisch nabije toestanden en gehoorzamen aan de ‘regels van het ijs’. Nulpuntsentropie is de wanorde die zou blijven bestaan, zelfs als het materiaal zou kunnen worden afgekoeld tot het absolute nulpunt (0 K = -273,15 °C). Geeft aanleiding tot experimentele verwarring voor hexagonaal ijs 3,41 (±0,2) ˣ mol -1 ˣ K -1 . Theoretisch zou het mogelijk zijn om de nul-entropie van bekende ijskristallen met veel grotere nauwkeurigheid te berekenen (waarbij defecten en spreiding van het energieniveau worden verwaarloosd) dan door deze experimenteel te bepalen.
Hoewel de volgorde van protonen in bulkijs niet geordend is, geeft het oppervlak waarschijnlijk de voorkeur aan de volgorde van genoemde deeltjes in de vorm van banden van bungelende H-atomen en O-eenzame paren (nul-entropie met geordende waterstofbruggen). De wanorde van het nulpunt ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 en andere werd gevonden. Uit al het bovenstaande is het duidelijk en begrijpelijk welke soorten kristalroosters kenmerkend zijn voor ijs.
Positieve ladingen in een watermolecuul zijn geassocieerd met atomen
waterstof. Negatieve ladingen zijn valentie-elektronen
zuurstof. Hun relatieve positie in een watermolecuul kan zijn
afgebeeld als een eenvoudige tetraëder.
Hoe is een ijsmolecuul opgebouwd?
Er zijn geen speciale ijsmoleculen. De watermoleculen zijn vanwege hun opmerkelijke structuur met elkaar verbonden in een stuk ijs, zodat elk van hen met elkaar verbonden is en omringd wordt door vier andere moleculen. Dit leidt tot het verschijnen van een zeer losse ijsstructuur, waarin veel vrij volume overblijft. De juiste kristallijne structuur van ijs komt tot uiting in de verbazingwekkende gratie van sneeuwvlokken en de schoonheid van ijzige patronen op bevroren ruiten.
B N uzo - schematische opstelling van de atoomkernen van waterstof en zuurstof in de watermoleculen die het kristalrooster van ijs vormden. Omhoog- watermoleculen die een ijskristal vormden terwijl de schaal van de elektronenschillen behouden bleef. Let op de losse structuur van het ijs.
Hoe worden watermoleculen in water gebouwd?
Helaas is deze zeer belangrijke kwestie nog niet voldoende bestudeerd. De structuur van moleculen in vloeibaar water is zeer complex. Als ijs smelt, is het gaas
de structuur blijft gedeeltelijk behouden in het resulterende water. De moleculen in smeltwater bestaan uit veel eenvoudige moleculen: aggregaten die de eigenschappen van ijs behouden. Naarmate de temperatuur stijgt, vallen sommige uiteen en worden ze kleiner.
Wederzijdse aantrekkingskracht leidt ertoe dat de gemiddelde grootte van een complex watermolecuul in vloeibaar water aanzienlijk groter is dan de grootte van een enkel watermolecuul. Deze buitengewone moleculaire structuur van water bepaalt zijn buitengewone fysisch-chemische eigenschappen,
Bij welke temperatuur moet water koken?
Deze vraag is natuurlijk vreemd. Water kookt immers bij honderd graden. Iedereen weet dit. Bovendien weet iedereen dat het kookpunt van water bij een druk van één atmosfeer gekozen is als referentiepunt van de temperatuurschaal, die gewoonlijk 100°C wordt genoemd.
De vraag wordt echter anders gesteld: op welke temperatuur moet water koken? De kooktemperaturen van verschillende stoffen zijn immers niet willekeurig. Ze zijn afhankelijk van de positie van de elementen waaruit hun moleculen bestaan in het periodiek systeem van Mendelejev.
Hoe lager het atoomnummer van een element, hoe lager het atoomgewicht, hoe lager het kookpunt van zijn verbindingen. Op basis van de chemische samenstelling kan water een zuurstofhydride worden genoemd. H 2 Te, H 2 Se en H 2 S zijn chemische analogen van water. Als je hun kookpunten bewaakt en vergelijkt hoe de kookpunten van hydriden veranderen in andere groepen van het periodiek systeem, dan kun je vrij nauwkeurig het kookpunt van elk hydride bepalen, evenals van elke andere verbinding. Mendelejev zelf voorspelde de eigenschappen van chemische verbindingen van elementen die nog niet op deze manier ontdekt waren.
Als we het kookpunt van zuurstofhydride bepalen aan de hand van zijn positie in het periodiek systeem, blijkt dat water moet koken bij 80° onder nul. Daarom kookt water ongeveer honderdtachtig graden hoger dan het zou moeten koken. Het kookpunt van water - dit is de meest voorkomende eigenschap - blijkt buitengewoon en verrassend.
Probeer je nu voor te stellen dat ons water plotseling het vermogen heeft verloren om complexe, geassocieerde moleculen te vormen. Dan zou het waarschijnlijk moeten koken op de temperatuur die volgens de periodieke wet zou moeten zijn. Wat zou er dan op onze aarde gebeuren? De oceanen zullen plotseling koken. Er zal geen enkele druppel water meer op aarde overblijven, en er zal nooit meer een enkele wolk aan de hemel verschijnen... In de atmosfeer van de aarde daalt de temperatuur immers nergens onder de min 80° - min 90° C.
Bij welke temperatuur bevriest water?
Is het niet waar dat de vraag niet minder vreemd is dan de vorige? Wie weet niet dat water bevriest bij nul graden? Dit is het tweede referentiepunt van de thermometer. Dit is de meest voorkomende eigenschap van water. Maar zelfs in dit geval kan men zich afvragen bij welke temperatuur water moet bevriezen in overeenstemming met zijn chemische aard. Het blijkt dat zuurstofhydride, op basis van zijn positie in het periodiek systeem, zou moeten stollen bij honderd graden onder nul.
Ijs- mineraal met chemische stof formule H 2 O, vertegenwoordigt water in kristallijne toestand.
Chemische samenstelling van ijs: H - 11,2%, O - 88,8%. Soms bevat het gasvormige en vaste mechanische onzuiverheden.
In de natuur wordt ijs voornamelijk vertegenwoordigd door een van de verschillende kristallijne modificaties, stabiel in het temperatuurbereik van 0 tot 80°C, met een smeltpunt van 0°C. Er zijn 10 bekende kristallijne modificaties van ijs en amorf ijs. Het meest bestudeerde is ijs van de eerste modificatie - de enige modificatie die in de natuur wordt aangetroffen. IJs wordt in de natuur aangetroffen in de vorm van ijs zelf (continentaal, drijvend, ondergronds, enz.), maar ook in de vorm van sneeuw, vorst, enz.
Zie ook:
STRUCTUUR
De kristalstructuur van ijs is vergelijkbaar met de structuur: elk H 2 0-molecuul is omgeven door de vier moleculen die er het dichtst bij liggen, op gelijke afstanden ervan, gelijk aan 2,76Α, en gelokaliseerd op de hoekpunten van een regelmatige tetraëder. Vanwege het lage coördinatiegetal is de ijsstructuur opengewerkt, wat de dichtheid ervan beïnvloedt (0,917). IJs heeft een hexagonaal ruimtelijk rooster en wordt gevormd door het bevriezen van water bij 0°C en atmosferische druk. Het rooster van alle kristallijne modificaties van ijs heeft een tetraëdrische structuur. Parameters van een ijseenheidscel (bij t 0°C): a=0,45446 nm, c=0,73670 nm (c is het dubbele van de afstand tussen aangrenzende hoofdvlakken). Als de temperatuur daalt, veranderen ze heel weinig. H 2 0-moleculen in het ijsrooster zijn met elkaar verbonden door waterstofbruggen. De mobiliteit van waterstofatomen in het ijsrooster is veel hoger dan de mobiliteit van zuurstofatomen, waardoor de moleculen hun buren veranderen. In de aanwezigheid van significante vibratie- en rotatiebewegingen van moleculen in het ijsrooster, treden translationele sprongen van moleculen op vanaf de plaats van hun ruimtelijke verbinding, waardoor de verdere orde wordt verstoord en dislocaties worden gevormd. Dit verklaart de manifestatie van specifieke reologische eigenschappen in ijs, die de relatie karakteriseren tussen onomkeerbare vervormingen (stroming) van ijs en de spanningen die deze veroorzaakten (plasticiteit, viscositeit, vloeispanning, kruip, enz.). Vanwege deze omstandigheden stromen gletsjers op dezelfde manier als zeer stroperige vloeistoffen, en dus neemt natuurlijk ijs actief deel aan de watercyclus op aarde. IJskristallen zijn relatief groot van formaat (dwarsgrootte van fracties van een millimeter tot enkele tientallen centimeters). Ze worden gekenmerkt door anisotropie van de viscositeitscoëfficiënt, waarvan de waarde met verschillende ordes van grootte kan variëren. Kristallen zijn in staat tot heroriëntatie onder invloed van belastingen, wat hun metamorfose en de stroomsnelheid van gletsjers beïnvloedt.
EIGENSCHAPPEN
IJs is kleurloos. In grote trossen krijgt het een blauwachtige tint. Glas glans. Transparant. Het heeft geen decolleté. Hardheid 1,5. Breekbaar. Optisch positief, brekingsindex zeer laag (n = 1,310, nm = 1,309). Er zijn 14 bekende modificaties van ijs in de natuur. Het is waar dat alles behalve het bekende ijs, dat kristalliseert in het hexagonale systeem en wordt aangeduid als ijs I, wordt gevormd onder exotische omstandigheden - bij zeer lage temperaturen (ongeveer -110.150 0C) en hoge druk, wanneer de hoeken van waterstofbruggen in het water molecuulverandering en systemen worden gevormd, anders dan hexagonaal. Dergelijke omstandigheden lijken op die in de ruimte en komen niet voor op aarde. Bij temperaturen onder –110 °C slaat waterdamp bijvoorbeeld neer op een metalen plaat in de vorm van octaëders en kubussen van enkele nanometers groot - dit is het zogenaamde kubieke ijs. Als de temperatuur iets boven –110 °C ligt en de dampconcentratie erg laag is, vormt zich een laag extreem dicht amorf ijs op de plaat.
MORFOLOGIE
IJs is een veel voorkomend mineraal in de natuur. Er zijn verschillende soorten ijs in de aardkorst: rivier, meer, zee, grond, firn en gletsjer. Vaker vormt het samengestelde clusters van fijnkristallijne korrels. Er zijn ook kristallijne ijsformaties bekend die ontstaan door sublimatie, dat wil zeggen rechtstreeks uit de damptoestand. In deze gevallen verschijnt het ijs als skeletkristallen (sneeuwvlokken) en aggregaten van skelet- en dendritische groei (grotijs, rijp, rijp en patronen op glas). Er worden grote, goed geslepen kristallen gevonden, maar zeer zelden. N. N. Stulov beschreef ijskristallen in het noordoostelijke deel van Rusland, gevonden op een diepte van 55-60 m van het oppervlak, met een isometrisch en zuilvormig uiterlijk, en de lengte van het grootste kristal was 60 cm, en de diameter van de basis was 15 cm. Van eenvoudige vormen op ijskristallen werden alleen de vlakken van het zeshoekige prisma (1120), de zeshoekige bipiramide (1121) en de pinacoïde (0001) geïdentificeerd.
IJsstalactieten, in de volksmond ‘ijspegels’ genoemd, zijn bij iedereen bekend. Met temperatuurverschillen van ongeveer 0° in de herfst-winterseizoenen groeien ze overal op het aardoppervlak door het langzaam bevriezen (kristallisatie) van stromend en druppelend water. Ze komen ook veel voor in ijsgrotten.
IJsbanken zijn stroken ijsbedekking gemaakt van ijs die kristalliseren op de water-luchtgrens langs de randen van reservoirs en grenzend aan de randen van plassen, de oevers van rivieren, meren, vijvers, reservoirs, enz. terwijl de rest van de waterruimte niet bevriest. Wanneer ze volledig samengroeien, wordt er een continue ijsbedekking gevormd op het oppervlak van het reservoir.
IJs vormt ook parallelle kolomvormige aggregaten in de vorm van vezelachtige aderen in poreuze bodems, en ijsantholieten op hun oppervlak.
OORSPRONG
IJs ontstaat vooral in waterbassins als de luchttemperatuur daalt. Tegelijkertijd verschijnt er een ijspap bestaande uit ijsnaalden op het wateroppervlak. Van onderaf groeien er lange ijskristallen op, waarvan de symmetrieassen van de zesde orde loodrecht op het oppervlak van de korst staan. De relaties tussen ijskristallen onder verschillende vormingsomstandigheden worden getoond in Fig. IJs komt overal voor waar vocht is en waar de temperatuur onder de 0° C daalt. In sommige gebieden ontdooit het grondijs slechts tot een geringe diepte, waaronder de permafrost begint. Dit zijn de zogenaamde permafrostgebieden; In gebieden met permafrostverdeling in de bovenste lagen van de aardkorst wordt zogenaamd ondergronds ijs aangetroffen, waaronder modern en fossiel ondergronds ijs. Minstens 10% van het totale landoppervlak van de aarde is bedekt met gletsjers; monolithische ijsrotsen waaruit ze bestaan, wordt gletsjerijs genoemd. Gletsjerijs wordt voornamelijk gevormd door de opeenhoping van sneeuw als gevolg van de verdichting en transformatie ervan. De ijskap bedekt ongeveer 75% van Groenland en bijna heel Antarctica; de grootste dikte van de gletsjers (4330 m) bevindt zich nabij het Byrd-station (Antarctica). In centraal Groenland bereikt de ijsdikte 3200 meter.
IJsafzettingen zijn bekend. In gebieden met koude, lange winters en korte zomers, maar ook in hoge bergachtige streken, worden ijsgrotten met stalactieten en stalagmieten gevormd, waarvan Kungurskaya in de Perm-regio van de Oeral de meest interessante zijn, evenals de Dobshine-grot in Slowakije.
Wanneer zeewater bevriest, ontstaat er zee-ijs. De karakteristieke eigenschappen van zee-ijs zijn het zoutgehalte en de porositeit, die het bereik van de dichtheid van 0,85 tot 0,94 g/cm3 bepalen. Vanwege deze lage dichtheid stijgen ijsschotsen 1/7-1/10 van hun dikte boven het wateroppervlak uit. Zee-ijs begint te smelten bij temperaturen boven -2,3°C; het is elastischer en moeilijker in stukken te breken dan zoetwaterijs.
SOLLICITATIE
Eind jaren tachtig ontwikkelde het laboratorium in Argonne een technologie voor het maken van ijsbrij die vrij door leidingen met verschillende diameters kan stromen zonder zich op te hopen in ijsophopingen, aan elkaar te plakken of koelsystemen te verstoppen. De zoute watersuspensie bestond uit vele zeer kleine, ronde ijskristallen. Hierdoor blijft de mobiliteit van water behouden en vertegenwoordigt het tegelijkertijd vanuit het oogpunt van thermische techniek ijs, dat 5-7 keer effectiever is dan eenvoudig koud water in koelsystemen van gebouwen. Bovendien zijn dergelijke mengsels veelbelovend voor de geneeskunde. Experimenten met dieren hebben aangetoond dat microkristallen van het ijsmengsel perfect in vrij kleine bloedvaten terechtkomen en de cellen niet beschadigen. “Icy Blood” verlengt de tijd waarin het slachtoffer kan worden gered. Laten we zeggen dat in het geval van een hartstilstand deze tijd, volgens conservatieve schattingen, verlengt van 10-15 naar 30-45 minuten.
Het gebruik van ijs als constructiemateriaal is wijdverbreid in de poolgebieden voor de bouw van woningen - iglo's. IJs maakt deel uit van het Pikerit-materiaal voorgesteld door D. Pike, waarvan werd voorgesteld om 's werelds grootste vliegdekschip te maken.
IJs - H 2 O
CLASSIFICATIE
| Strunz (8e editie) | 4/A.01-10 |
| Nikkel-Strunz (10e editie) | 4.AA.05 |
| Dana (8e editie) | 4.1.2.1 |
| Hey's CIM-ref. | 7.1.1 |
Kristalstructuur van ijs: watermoleculen zijn verbonden in regelmatige zeshoeken Kristalrooster van ijs: Watermoleculen H 2 O (zwarte ballen) zijn in de knooppunten zo gerangschikt dat elk vier buren heeft. Het watermolecuul (midden) is door waterstofbruggen gebonden aan de vier dichtstbijzijnde aangrenzende moleculen. IJs is een kristallijne modificatie van water. Volgens de laatste gegevens heeft ijs 14 structurele wijzigingen. Onder hen zijn er zowel kristallijne (de meerderheid van hen) als amorfe modificaties, maar ze verschillen allemaal van elkaar in de relatieve rangschikking van watermoleculen en eigenschappen. Het is waar dat alles behalve het bekende ijs, dat kristalliseert in het hexagonale systeem, wordt gevormd onder exotische omstandigheden bij zeer lage temperaturen en hoge drukken, wanneer de hoeken van waterstofbruggen in het watermolecuul veranderen en andere dan hexagonale systemen worden gevormd. Dergelijke omstandigheden lijken op die in de ruimte en komen niet voor op aarde. Bij temperaturen onder –110 °C slaat waterdamp bijvoorbeeld neer op een metalen plaat in de vorm van octaëders en kubussen van enkele nanometers groot – het zogenaamde kubieke ijs. Als de temperatuur iets boven –110 °C ligt en de dampconcentratie erg laag is, vormt zich een laag extreem dicht amorf ijs op de plaat. De meest ongewone eigenschap van ijs is de verbazingwekkende verscheidenheid aan externe manifestaties. Met dezelfde kristallijne structuur kan het er heel anders uitzien, in de vorm van transparante hagelstenen en ijspegels, vlokken pluizige sneeuw, een dichte glanzende ijskorst of gigantische gletsjermassa's.
Een sneeuwvlok is een enkel ijskristal - een soort hexagonaal kristal, maar wel een dat snel groeide onder niet-evenwichtsomstandigheden. Wetenschappers worstelen al eeuwen met het geheim van hun schoonheid en eindeloze diversiteit. Het leven van een sneeuwvlok begint met de vorming van kristallijne ijskernen in een wolk van waterdamp als de temperatuur daalt. Het centrum van kristallisatie kunnen stofdeeltjes, vaste deeltjes of zelfs ionen zijn, maar in ieder geval hebben deze stukjes ijs van minder dan een tiende van een millimeter al een hexagonaal kristalrooster. Waterdamp condenseert op het oppervlak ervan kernen, vormt eerst een klein zeshoekig prisma, vanuit de zes hoeken waarvan het identieke ijsnaalden begint te laten groeien, zijscheuten, omdat de temperatuur en vochtigheid rond het embryo zijn ook hetzelfde. Op hen groeien op hun beurt zijscheuten van takken, zoals op een boom. Dergelijke kristallen worden dendrieten genoemd, dat wil zeggen vergelijkbaar met hout. Terwijl een sneeuwvlok op en neer beweegt in een wolk, komt hij in omstandigheden terecht met verschillende temperaturen en concentraties waterdamp. De vorm verandert en gehoorzaamt tot het laatst aan de wetten van zeshoekige symmetrie. Dit is hoe sneeuwvlokken anders worden. Tot nu toe was het niet mogelijk om twee identieke sneeuwvlokken te vinden.
De kleur van ijs hangt af van de leeftijd en kan worden gebruikt om de sterkte ervan te beoordelen. Oceaanijs is in het eerste jaar van zijn leven wit omdat het verzadigd is met luchtbellen, waarvan het licht onmiddellijk wordt gereflecteerd door de wanden, zonder tijd te hebben om te worden geabsorbeerd. In de zomer smelt het oppervlak van het ijs, verliest het zijn kracht en onder het gewicht van nieuwe lagen die er bovenop liggen, krimpen de luchtbellen en verdwijnen ze volledig. Het licht in het ijs legt een langer pad af dan voorheen en komt tevoorschijn als een blauwgroene tint. Blauw ijs is ouder, dichter en sterker dan wit ‘schuimig’ ijs, verzadigd met lucht. Poolonderzoekers weten dit en kiezen betrouwbare blauwe en groene ijsschotsen voor hun drijvende bases, onderzoeksstations en ijsvliegvelden. Er zijn zwarte ijsbergen. Het eerste persbericht over hen verscheen in 1773. De zwarte kleur van ijsbergen wordt veroorzaakt door de activiteit van vulkanen - het ijs is bedekt met een dikke laag vulkanisch stof, dat zelfs door zeewater niet wordt weggespoeld. IJs is niet even koud. Er is heel koud ijs, met een temperatuur van ongeveer min 60 graden, dit is het ijs van sommige Antarctische gletsjers. Het ijs van de Groenlandse gletsjers is veel warmer. De temperatuur is ongeveer min 28 graden. Op de toppen van de Alpen en de Scandinavische bergen ligt zeer “warm ijs” (met een temperatuur van ongeveer 0 graden).
De dichtheid van water is maximaal bij +4 C en is gelijk aan 1 g/ml; deze neemt af bij afnemende temperatuur. Wanneer water kristalliseert, neemt de dichtheid van het ijs sterk af; deze is gelijk aan 0,91 g/cm3. Hierdoor is ijs lichter dan water en wanneer reservoirs bevriezen, hoopt zich ijs op, en op de bodem van reservoirs bevindt zich een dichtere waterdichtheid. met een temperatuur van 4 ̊ C. Slechte thermische geleidbaarheid van ijs en de sneeuwbedekking die het bedekt, beschermt reservoirs tegen bevriezing tot op de bodem en creëert daardoor omstandigheden voor het leven van de bewoners van reservoirs in de winter.
Gletsjers, ijskappen, permafrost en seizoensgebonden sneeuwbedekking hebben een aanzienlijke invloed op het klimaat van grote gebieden en de planeet als geheel: zelfs degenen die nog nooit sneeuw hebben gezien, voelen de adem van de massa’s die zich ophopen aan de polen van de aarde, bijvoorbeeld in de vorm van langetermijnschommelingen in het niveau van de wereldoceaan. IJs is zo belangrijk voor het uiterlijk van onze planeet en de comfortabele leefomgeving van levende wezens erop dat wetenschappers er een speciale omgeving voor hebben toegewezen: de cryosfeer, die zijn domein hoog in de atmosfeer en diep in de aardkorst uitbreidt. Natuurijs is meestal veel schoner dan water, omdat... de oplosbaarheid van stoffen (behalve NH4F) in ijs is extreem laag. De totale ijsreserves op aarde bedragen ongeveer 30 miljoen km 3. Het grootste deel van het ijs is geconcentreerd op Antarctica, waar de dikte van de laag 4 km bedraagt.
IJsvorming wordt altijd geassocieerd met het verschijnen van een fasegrensvlak. Het werk dat Lk in dit geval heeft verricht, wordt hoofdzakelijk besteed aan het overwinnen van de interfase-oppervlaktespanning van de primaire kern van een ijskristal, waarvan de waarschijnlijkheid van het optreden wordt bepaald door de wetten van de statistische natuurkunde.
De kristallisatie van water wordt gewoonlijk gekenmerkt door twee hoofdfactoren die verband houden met de onderkoeling ervan: de snelheid van kiemvorming van kristallisatiecentra wi en de lineaire kristallisatiesnelheid o>2.
Viskeuze vloeistoffen met minimale waarden van W\ en Shr kunnen, zelfs bij een relatief lage koelsnelheid, worden overgebracht naar een vaste amorfe (glasachtige) toestand, waarbij kristallisatie wordt omzeild. Water met een lage viscositeit en hoge waarden van W\ en w2 vereisen voor een dergelijke overgang een zeer hoge koelsnelheid (>4000°C/s) om de temperatuurzone van maximale coistallisatie te “doorschieten”.
Volgens Frenkel G112] kunnen zelfs in een absoluut zuivere vrije vloeistof, als deze voldoende onderkoeld is, door fluctuaties kristalkernen van kritische grootte ontstaan, die onder gunstige omstandigheden kristallisatiecentra worden. Om kristallisatie te laten ontstaan is het noodzakelijk dat het aantal gevormde kristallen groter is dan het aantal vernietigde kristallen. De veronderstelling dat water in de pre-kristallisatietoestand veel kernen van de vaste fase bevat, wordt tot op zekere hoogte bevestigd, bijvoorbeeld door de abnormale toename van de geluidssnelheid in water bij een temperatuur van ongeveer 0 ° C.
In de praktijk zijn de zaden van waterkristallisatie de kleine vaste onzuiverheden die er altijd in aanwezig zijn, die de grensvlakspanning en het kristallisatiewerk van Ak verder verminderen. Om kristallisatie in onderkoeld water (en waterdamp) te induceren, zijn microzaden gemaakt van ijs of van een substantie die vrijwel isomorf is met ijs, bijvoorbeeld zilverjodide (Agl), het meest effectief.
Tijdens de kristallisatie (en het smelten) van ijs ontstaat er altijd een elektrisch potentiaalverschil op de fasegrens als gevolg van gedeeltelijke polarisatie, en de sterkte toKa wordt evenredig ingesteld met de snelheid van fasetransformatie. Kristallisatie van water dat bijvoorbeeld door een capillair is gebonden, vereist een voorlopig herstel van de overeenkomstige structuur van water, inclusief waterstofbruggen die door het capillair zijn verbroken.
In het gebruikelijke geval groeien intra-waterige ijskristallen gevormd in zones van voldoende onderkoeld water, met symmetrie van het medium en warmteoverdracht, in de richting van hun optische assen. In dit geval vindt kristalgroei plaats met sprongen en het krachtigst bij de hoekpunten en randen, dat wil zeggen waar er meer onverzadigde bindingen zijn.
Tijdens de kristallisatie van water, die onderkoeling vereist, is de temperatuur van de opkomende fase – het embryo van een intra-waterig ijskristal – in principe gelijk aan de fasetransformatietemperatuur van 0°C. Rond de opkomende ijskristalkernen treedt, als gevolg van het vrijkomen van de kristallisatiewarmte, een temperatuursprong op, wordt lokale onderkoeling van het water geëlimineerd en kunnen individuele ontstaande ijskernen smelten. Om het ijsvormingsproces in stand te houden is daarom een continue verwijdering van de kristallisatiewarmte noodzakelijk. Bij 0°C kan er een dynamisch evenwicht tussen ijs en water ontstaan.
Kristallisatieproces van oppervlakte-ijs gelokaliseerd in de grenslaag van onderkoeld water. Volgens Costa is de onderkoeling van water tijdens de vorming van oppervlakte-ijs een functie van de lineaire kristallisatiesnelheid van water op het gekoelde oppervlak en varieert van -0,02° tot -0,11° C met snelheden van 2 tot 30 mm/min. In dit geval moet de temperatuur van het bevochtigde ijsoppervlak lager zijn dan 0° C.
Tijdens kristallisatie verandert water in ijs - een nieuwe, thermodynamisch stabielere fase. De omgekeerde transformatie van de stof vindt gedeeltelijk ook plaats, maar de overgang van moleculen naar de vaste fase overheerst. Het herstel (volgens Pople - rechttrekken) van waterstofbruggen en andere verschijnselen die optreden bij kristallisatie veranderen de kwartsachtige structuur van vloeibaar water in een minder dichte structuur van ijs.
Omdat bij de gebruikelijke tridymietachtige structuur van ijs elk van zijn moleculen geassocieerd is met drie moleculen van zijn structurele laag en één molecuul van de aangrenzende laag, is het coördinatieaantal van moleculen in ijs vier. Veranderingen in een aantal fysische eigenschappen van water tijdens koelen en vriezen weerspiegelen duidelijk veranderingen in de structuur ervan.
In het geval van koelwater met een normale druk van 0,101325 MPa daalt de dichtheid dus van 1000 naar 999,9 kg/m3, en wanneer het wordt omgezet in ijs neemt het verder af tot 916,8 kg/m3 (рл « «917 (1-0,00015 t). Volgens berekeningen is de massaverhouding van 1 mol water en ijs 18,02: 19,66 «0,916.
Tijdens de kristallisatie van water, waarvoor de soortelijke warmte hl = 334 kJ/kg moet worden verwijderd, verandert de warmtecapaciteit van sv = 4,23 naar sv = 2,12 kJ/ (kg-K), en de thermische geleidbaarheid van Rav = 0,55 naar Rav53 = 2,22 W/ (m·K). Vergeleken met water heeft ijs een gemiddelde diëlektrische constante die 30 keer minder is, en een elektrische geleidbaarheid 500 keer of meer.
De abnormale daling van de waterdichtheid wordt voornamelijk veroorzaakt door een afname van de compactheid van de gemiddelde rangschikking van moleculen. De kenmerken van water en ijs in het bijzonder worden verklaard door veranderingen in de relatieve hoeveelheden moleculen met een tijdelijk vaste positie en bewegende moleculen, evenals de invloed van waterstofbruggen, holtes in structuren en polymerisatie van moleculen.
Enkelvoudige ijskristallen die verschijnen tijdens de kristallisatie van water hebben geen ideaal kristalrooster als gevolg van onvermijdelijke structurele defecten, in het bijzonder het soort dislocaties (afschuiving) veroorzaakt door verstoring van de pakking van moleculen en de afwisseling van atomaire vlakken.
Thermische beweging veroorzaakt dislocatie-ontsnapping van individuele microdeeltjes in de tussenruimten van kristalroosters en de vorming van vacatures (“gaten”) in de kristalstructuur, vergelijkbaar met de vacatures die worden aangetroffen in vloeistoffen, vooral in water. Er wordt aangenomen dat dislocatiedefecten een van de redenen zijn voor de hoge plasticiteit van ijs, waarvan de sterkte van ijskoelers op de lange termijn afhangt. IJs kristalliseert gewoonlijk in een tridymietachtig zeshoekig systeem. Bij temperaturen onder -120° C heeft stoomijs echter een diamantachtige kubusvormige structuur. Bij temperaturen onder -160° C en een hoge koelsnelheid verandert stoom in vacuüm in glazig, bijna amorf ijs met een dichtheid van 1300-2470 kg/m3. Eenkristallen van intra-waterig en oppervlakte-ijs ontstaan tijdens onderkoeling uit watermoleculen met minimale energie.
Volgens Altberg wordt natuurlijk ijs in het water (bodem) in een rivier gevormd als gevolg van het convectieve transport van onderkoeld oppervlaktewater in de stroming en de daaropvolgende kristallisatie ervan, voornamelijk op zandkorrels en andere vaste voorwerpen.
In het geval van de vorming van oppervlakte-ijs in een reservoir, verenigen individuele ijskristallen die ontstaan bij atmosferische temperaturen, gewoonlijk onder 0°C, zich in het bijzonder tot naaldvormige horizontale kristallen, die elkaar kruisen terwijl ze groeien en een rooster vormen. De gaten in het ijsrooster zijn gevuld met enkele kristallen, ook verenigd in kristallieten, die de laatste fase van de vorming van een continue korst van polykristallijn ijs voltooien, voornamelijk met een chaotische rangschikking van kristallen. Bij sterke nachtelijke hittestraling vanaf het oppervlak van kalm water kan er zelfs bij positieve temperaturen een ijskorst ontstaan.
De verdere groei van kristallen van de initiële ijskorst wordt beïnvloed door naburige kristallen. In dit geval is er, vanwege de anisotropie van de groei, een overheersende ontwikkeling van kristallen van twee typen: a) met verticale optische assen loodrecht op het ijsvormingsoppervlak - in kalm water met een relatief grote temperatuurgradiënt en b) met horizontale assen evenwijdig aan het ijsvormingsoppervlak - in bewegend water en zijn geschatte isotherm.
Groeiende kristallen vertonen, voorzien van voeding, de zogenaamde kristallisatiekracht, die obstakels afstoot. Met langzame kristallisatie en goede circulatie van zoet water worden de meeste waterverontreinigingen naar buiten geduwd en wordt transparant ijs met een groenachtig blauwe tint gevormd. IJs wordt voornamelijk gevormd met regelmatig georiënteerde grote kristallieten in de vorm van een prisma met een diameter in de orde van enkele millimeters en met een relatief kleine hoeveelheid onzuiverheden. Bij snelle kristallisatie en zwakke watercirculatie blijkt het ijs ondoorzichtig, wit (mat ijs) en in dit geval is het een lichaam met een chaotische opstelling van vergroeiingen van kleine kristallen, meestal met een diameter van minder dan 1 mm, afgewisseld met vaste, vloeibare en gasvormige (lucht)verontreinigingen. Tijdens de snelle kristallisatie van water met een verhoogde hoeveelheid onzuiverheden bevinden ze zich soms niet alleen tussen de kristallen, maar ook op de basale vlakken daarin. De lagen tussen kristallieten bevatten altijd veel meer onzuiverheden dan de lagen tussen enkele kristallen. In het specifieke geval van rivierijs hebben interkristallijne lagen een dikte in de orde van 3 micron bij een vriestemperatuur van -2° C tot 0,3 micron bij een temperatuur van ongeveer -20° C. Opgemerkt wordt dat de grootte van ijskristallen uit water met een mengsel van in water oplosbare zouten is omgekeerd evenredig met de bevriezingssnelheid en de concentratie van zouten
Als er zich geen ijs vormt op een vlak wateroppervlak, maar in zeer kleine waterdruppels, bijvoorbeeld aanwezig in wolken, waar aanzienlijke onderkoeling van water kan optreden (tot -40 ° C en lager), dan kan de kristallisatie ervan beginnen. niet van buitenaf, maar van binnenuit, waar ijs in het binnenland ontstaat. Grote druppels water na onderkoeling beginnen meestal buiten te bevriezen.
Wanneer zoet water kristalliseert, is het groeiende ijsfront vrijwel glad. In dit geval laat water, dat ongeveer 40 g lucht per ton bevat bij O9 C (bij 30 ° C - slechts 20 g), tijdens kristallisatie, wanneer het front beweegt, lucht vrij in de extra- of interkristallijne ruimte.
Wanneer zout water kristalliseert (begint bij een temperatuur die wordt bepaald door de samenstelling en concentratie van zouten), is het groeiende ijsfront ruw, met uitsteeksels waarvan de toppen zich bevinden in zones met de laagste zoutconcentratie. Water dat minder door hydratatie aan zoutionen gebonden is, kristalliseert het eerst. Vervolgens kunnen de zoutionen tot op zekere hoogte worden gedehydrateerd en zullen de zouten uit de oplossing vallen in overeenstemming met hun oplosbaarheid. In dit geval kunnen kristallijne hydraten worden gevormd die overeenkomen met de temperatuur. In ijs met in water oplosbare onzuiverheden bevinden deze zich voornamelijk in kristallencellen, wat bijvoorbeeld belangrijk is bij de productie van pekelijs.
Wanneer zich ijs tussen andere structuren vormt, treedt meestal vervorming op, vooral in het geval van bevriezing van natte grond of water in een poreuze zerotor. De minste vervorming wordt verzekerd door snelle en uniforme verharding van water in biologische media met cryoprotectanten (glycerine, enz.). In dit geval wordt een deel van het water “verglaasd” en bindt het andere deel microkristallen of vormt deze, die zich voornamelijk buiten de biologische cellen bevinden. Een bijzonder proces is de kristallisatie van ijs door sublimatie uit stoom (en het omgekeerde fenomeen van sublimatie tijdens de verdamping van ijs).
Voor de werking van ijskoelers zijn zowel de verdamping van ijsbarrières als de vorming van sublimatie-ijs in de vorm van een “sneeuwjas” belangrijk. Bij voldoende lage temperaturen vormt gesublimeerd ijs de vorm van sneeuwvlokken, bijvoorbeeld in hoge bewolking. Kristallisatie van atmosferisch ijs in de vorm van sneeuw begint op zaden, in dit geval stofdeeltjes. De vorming en groei van kristallijne sneeuwvlokken, bestaande uit gewoon of gesublimeerd ijs, houden verband met de temperatuur, druk en vochtigheid van de atmosfeer. Alleen grote sneeuwvlokken die zijn uitgekristalliseerd en een kritische massa hebben bereikt, dalen naar de grond.
Opgemerkt moet worden dat de groei van grote sneeuwvlokken ten koste van kleine kristallen en druppels gepaard gaat met een verhoogde waterdampdruk voor kleine kristallen en druppels. De elasticiteit van damp hangt af van de kromming en oppervlaktespanning van waterdruppels of ijskristallen. De kunstmatige introductie van ijsvormingszaden in wolken wordt in de Dnjepr-regio al praktisch toegepast voor het besneeuwen van wintergewassen tijdens winters met weinig sneeuw.
Smeltend ijs. IJsvorming wordt voorafgegaan door een of andere onderkoeling van water, en smelten is een voorsmeltproces dat praktisch niet gepaard gaat met oververhitting van de vaste fase, omdat vanaf het oppervlak ijs bij normale druk begint te smelten bij een temperatuur (GS (273.15 K). Tijdens het smelten wordt, in tegenstelling tot kristallisatie, de significante kracht van de oppervlaktespanning van water niet overwonnen. De lange-afstandsvolgorde van moleculen die inherent zijn aan ijs verandert tijdens het smelten naar de korte-afstandsvolgorde die kenmerkend is voor water.
De interne energie neemt toe als het ijs smelt. Gebaseerd op de specifieke smeltwarmte van ijs van 334 kJ/kg en de sublimatiewarmte van 2840 kJ/kg, die het verbreken van alle moleculaire bindingen karakteriseert, kan de mate van verzwakking van moleculaire bindingen tijdens het smelten gelijk worden gesteld aan 12%. Hiervan zijn ongeveer 9% waterstofbruggen en slechts 3% van der Waals-obligaties.
Wanneer ijs smelt, verandert de tijdsduur dat de moleculen in de evenwichtspositie blijven dramatisch. De activeringsenergie (potentiële barrière) E neemt af, omdat de E van water kleiner is dan de E van ijs. Altijd aanwezige defecten in de kristalroosterstructuur en onzuiverheden verminderen de activeringsenergie verder. Het smelten van ijs begint meestal vanaf het oppervlak, op de vlakken en randen van kristallen, maar ook op de locaties van onzuiverheden, die de kiem van het smelten zijn. Het oppervlak van smeltend ijs is altijd micro-ruw.
Het meest gecompliceerde proces is het smelten van ijs in andere structuren, bijvoorbeeld in het geval van ijskoude grond. In water oplosbare zouten in ijs helpen het zowel buiten als binnen te smelten.
Benadrukt moet worden dat het smelten van vers ijs tijdelijk enkele fysieke kenmerken behoudt die dichter bij ijs liggen dan bij water met een temperatuur van bijna nul. De moleculaire eigenschappen die inherent zijn aan ijs worden tijdelijk overgebracht naar smeltwater, wat blijkbaar “de verhoogde biologische activiteit ervan bepaalt. Elektrische processen tijdens het smelten van ijs, evenals de speciale activiteit van ijs en vers gesmolten water, kunnen bijvoorbeeld voedselproducten beïnvloeden die worden gekoeld door middel van ijs. smeltend ijs Technologisch gezien is het ook belangrijk dat smeltend ijs veel gassen, en dus geuren, goed absorbeert.
De fysica en chemie van water en ijs worden in meer detail besproken in de monografieën van Fritzman, Dorsey en Fletcher, vooral het smeltproces in het werk van Ubbelohde, de structuur van water en ijs in de werken van Shumsky, Zatsepina, Eisenberg en Kautzman .
