Сухой лед кристаллическая решетка: Сухой лед | Образовательная социальная сеть

Тот же эффект можно наблюдать и с сухим льдом. Если положить на стол кусочек сухого льда, то он не плавится, а сразу же испаряется (то есть переходит в газообразное состояние).

Интересно то, что он при этом начинает бегать по поверхности. Происходит это потому, что между кристаллом и столом образуется слой углекислого газа, который и толкает этот кристалл в разные стороны.

Если ненадолго взять его в руку, мы почувствуем небольшой холод, но жидкости не будет. Именно поэтому это вещество и назвали «сухой лёд».

Однако получить эти вещества в жидком виде всё же возможно. Эти жидкости существуют при повышенном давлении. Хотя термин «повышенное давление» в данном случае понятие весьма растяжимое и вовсе не означает большущие гидравлические прессы размером со шкаф. Например, жидкий йод можно легко получить в пробирке, нагревая его кристаллы, но при этом охлаждая горлышко пробирки. В таком случае пары йода не будут выходить из пробирки, а будут опять оседать на ней в виде кристаллов, и в итоге в пробирке образуется повышенное давление паров йода.

Атомные кристаллические решетки – решетки, в которых расположены атомы, стянутые в кристалле прочными ковалентными связями.

Атомных кристаллов сравнительно немного.

Примерами таких твердых веществ служат как простые вещества: алмаз, кремний; так и сложные вещества: карбид кальция, сульфид цинка, диоксид кремния и др.

Так, например, кристалл алмаза имеет форму тетраэдра.

Следовательно, структурную его единицу представляет тетраэдр.

В центре его ячейки расположен атом углерода, прочно связанный с четырьмя другими атомами углерода с помощью электронных пар.

Все связи одинаковы, как и углы, образующиеся между атомами.

Именно благодаря ковалентным связям атомные кристаллы имеют высокую твёрдость и температуру плавления.

Именно тот факт, что в алмазе каждый атом связан четырьмя ковалентными связями, и объясняет столь высокую его твёрдость.

Ионные кристаллические решетки – это решетки, в узлах которых расположены ионы с противоположными зарядами.

Связь между ионами осуществляется за счет электростатических сил притяжения.

Типичный представитель веществ с такой решеткой – поваренная соль (схематичное изображение решетки поваренной соли есть выше в этом уроке).

Ионные кристаллические решетки характерны для многих соединений с ионной связью. Это соли щелочных и щелочно-земельных металлов, щёлочи.

Ионные кристаллы отличаются высокой твердостью и температурой плавления, малой летучестью. По физическим свойствам они сходны с атомными кристаллами.

Металлические кристаллические решетки присущи простым веществам – металлам. Подробно они будут рассмотрены позже.

Многие простые и сложные вещества имеют кристаллическую структуру.

Для них характерны закономерное расположение частиц в трехмерном пространстве и строгая правильная геометрическая форма кристаллов. Свойства таких веществ зависят не только от строения образующих их атомов и характера их химической связи, но и от кристаллической структуры веществ.

Определить тип кристаллической решетки вещества поможет таблица:

Выводы:

1. Если вещество состоит из одного металла, то решетка металлическая.
2. Если в составе вещества нет металла, либо оно органическое, то решетка молекулярная. Исключение составляют С (алмаз и графит) и Р (черный фосфор), имеющие атомную решетку.
3. Если в составе вещества есть металл 1, 2, 3 групп главных подгрупп, то решетка ионная.
4. Если в составе вещества есть металл не из 1, 2, 3 групп главных подгрупп, то решетка атомная. Так же атомную решетку имеют простые вещества С (алмаз и графит) и Р (черный фосфор).

Исходя из сказанного выше составим обобщающую таблицу:

Углекислый газ сухой лед — Справочник химика 21

    Диоксид, обычно называемый двуокисью угле рода, СО2 образуется при полном сгорании свободного углерода в атмосфере кислорода. Он представляет собой бесцветный газ, в связи с чем и носит тривиальное название углекислый газ . Теплота образования двуокиси углерода из графита составляет 393,7 кдж г-моль. Плотность двуокиси углерода при н.у. 1,977 г/л (по воздуху 1,53). Двуокись углерода легко сжижается ее критическая температура 31,3° С, критическое давление 72,9 атм.. При сильном охлаждении она превращается в белую снегообразную массу (сухой лед), которая при нормальном давлении возгоняется (не плавясь) при —78,5 С. При давлении 5 атм твердая двуокись углерода плавится при —56,7 С. Теплота плавления двуокиси углерода 51 дж г, теплота испарения (при —56 С) 569 5ж/г. Жидкая двуокись углерода не проводит электрического тока. Кристаллическая решетка — молекулярного типа. [c.196]

    Примем, что 10% кислорода топлива дадут ири сухом разложении углекислый газ по реакции [c.285]

[c. 131]

    СО. СО, 0 и N2 — содержание (в % объ-змн.) соответственно углекислого газа, окиси углерода, кислорода и азота в сухих газах. [c.280]

    В последнее десятилетие начал особенно интенсивно разрабатываться метод увеличения нефтеотдачи путем нагнетания в залежь углекислого газа. Углекислый газ непосредственно не смешивается в нефтью в пластовых условиях, но по мере продвижения по пласту в углекислом газе все больше растворяются легкие УВ нефти и одновременно газ растворяется в нефти. Этот процесс приводит к образованию переходной зоны, и при длительном контакте возможно полное смещение СО2 с нефтью. Так как углекислый газ растворяет УВ лучше, чем метан и сухой природный газ, то давление смесимости при нагнетании в пласт СО2 всегда ниже, чем при закачке сухого природного газа. [c.118]

    Получение белого фосфора из красного. На дно сухой пробирки длиной 17—20 см поместите 0,3—0,5 г сухого красного фосфора так, чтобы он не попал на стенки пробирки. В течение 1 мин пропустите в пробирку сухой углекислый газ. Укрепите пробирку в лапках штатива, находящегося в вытяжном шкафу, в горизонтальном положении. Неплотно закройте ее пробкой из ваты и слегка нагрейте ту ее часть, где находится фосфор. Наблюдайте осаждение белого фосфора на холодных частях пробирки. В темноте мон но увидеть свечение белого фосфора, вызванное его [c.179]

    Помещают в сухую пробирку кирпичик, приготовленный заранее из известкового раствора. Пропускают в пробирку углекислый газ до момента появления влаги на стенках пробирки. Обратить внимание на тепловой эффект реакции. Написать уравнение реакции карбонизации с учетом теплового эффекта. [c.112]

    Углекислый кальций и углекислый магний (в сумме) в пересчете на сухое вещество.  [c.63]

    Механическое смешение фтористого натрия, талька, углекислого магния и сухих минеральных красок [c.233]

    Модифицированный ТЗК. Перед приготовлением адсорбента из ТЗК его обрабатывают. Из порошка ТЗК отсеивают 500 г целевой фракции с частицами размером 0,25 — 0,5 мм. Отсеянную фракцию обрабатывают 2%-ным водным раствором углекислого натрия, затем воду испаряют в сушильном шкафу при 150 С и периодическом перемешивании порошка стеклянной палочкой. После удаления воды сухой порошок помеш ают в фарфоровую чашку и ставят в муфельную печь для прокаливания при 800 °С в течение 3 ч. Обработанный содой и прокаленный в муфеле ТЗК охлал дают в эксикаторе там же его хранят, используя по мере надобности. [c.98]

    Высший оксид углерода (IV) СОг (углекислый газ) — бесцветный газ, имеющий слабокислый запах и вкус. Он в 1,5 раза тяжелее воздуха (р = 1,98 г/л). В одном объеме воды при 20 °С растворяется 0,88 объема СО2. При охлаждении в условиях нормального давления газ затвердевает при — 78,515 С, минуя жидкое состояние. Твердый оксид углерода (IV) — снегообразная масса, называемая сухим льдом. Жидкий СО2 образуется только под давлением (при 20 °С, 58,46-10 Па).  [c.133]

    Для некоторых природных газов характерно высокое содержание азота например, в султангуловском газе Куйбышевской области его 20%. В таких газах азоту часто сопутствуют редкие газы — гелий, аргон и др. Содержание гомологов метана в природном газе невелико этана от 0,1 до 8,0% (редко), пропана от 0,1 до 3%, бутана и высших, как правило, — доли процента. Примеси углекислого газа не превышают 2,5%. Ввиду резкого преобладания метана и небольшого количества углеводородов С4—С5 большинство природных газов относят к так называемым сухим газам. [c.22]

    В пробирках находятся сухие хлористый кальций, углекислый натрий, сернокислый калий, хлористый барий. Как распознать эти вещества, не прибегая к помощи химических реактивов  [c.76]

    Хлористый кальций содержит всегда некоторое количество окиси кальция, поглощающей вследствие этого, кроме воды, также углекислый газ. Поэтому через трубкн с хлористым кальцием необходимо сначала пропустить сильный ток углекислого газа и затем продуть сухим воздухом.  [c.187]

    Значительно труднее отделить магний, так как для этого необходимо предварительно удалить аммонийные соли выпариванием раствора и прокаливанием сухого остатка. После этого магний отделяют от щелочных металлов путем осаждения раствором гидроокиси бария или, удобнее, спиртовым раствором углекислого аммония. Осадок углекислого магния отфильтровывают, фильтрат выпаривают, прокаливают и взвешивают сульфаты щелочных металлов. Ниже подробнее описан ход анализа этим методом. [c.470]

    В небольших количествах (0,03% по объему) углекислый газ всегда содержится в воздухе. Он не имеет цвета и запаха. При —78,5° С превращается в твердую снегообразную массу, называемую сухим льдом , который возгоняется, не плавясь. [c.246]

    Получение сухого льда . На вентиль баллона с СО2 наденьте мешок из плотной ткани и пропустите сильный ток газа. Наблюдайте образование в мешке сухого льда . Измерьте температуру твердого углекислого газа.  [c.207]

    Соберите прибор для получения чистого и сухого газа. Это могут быть кислород, водород, хлор, углекислый газ и др. Если Вы не будете пользоваться аппаратом Киппа, рассчитайте то количество исходного вещества (но в трехкратном избытке), которое потребуется для получения объема газа, соответствующего емкости колбы. [c.119]

    Воздух имеет сложный состав. Его основные составные части можно подразделить на три группы постоянные, переменные и случайные. К первым относятся кислород (около 21% по объему), азот (около 78%) и так называемые инертные газы (около 1%). Содержание этих составных частей практически не зависит от того, в каком месте поверхности земного шара взята проба сухого воздуха. Ко второй группе относятся углекислый газ (0,02—0,04%) и водяной пар (до 3%). Содержание случайных составных частей зависит от местных условий вблизи металлургических заводов к воздуху часто бывают примешаны заметные количества сернистого газа, в местах, где происходит распад органических остатков, — аммиака и т. д. Помимо различных газов, воздух всегда содержит большее или меньшее количество пыли.  [c.34]

    Так как СОг не поддерживает жизнедеятельности бактерий и плесеней, сроки сохраняемости пищевых продуктов в атмосфере этого газа увеличиваются. С другой стороны, повышение содержания СОг в воздухе теплиц ведет к стимулированию роста растений ( углекислое удобрение ). Практически это достигается путем помещения в теплицы кусков сухого льда. Для большинства овош,ных культур наиболее благоприятным оказалось содержание СОг от 0,2 до 0,3%. [c.508]

    Тпе . Твердый углекислый газ — удобный хладагент, так ч. ii i (1м > как у него большая энтальпия испарения, причем он переходит в газообразное состояние, минуя жидкое. Поэтому его называют сухим льдом. В промышленности СО2 получают как побочный продукт при производстве извести из известняка и при брожении сахара. [c.498]

    ВЗЯТЬ не Б большом избытке, нагревание смеси с обратным холодильником приводит к образованию некоторого количества сложного эфира. Сообщение о получении алкилсульфонатов при нагревании сульфохлорида со спиртом [145] показывает, что в данном случае взято эквимолекулярное количество спирта или реакция велась короткое время. н-Пропиловый и н-бутиловый эфиры п-толуолсульфокислоты с выходом 25—30% получены при нагревании с обратным холодильником сульфохлорида с 10%-ным избытком спирта [146]. При пропускании сухого воздуха через смесь п-толуолсульфохлорида и и-пропилового спирта при 100—125° с целью удаления образующегося хлористого водорода [147] получается около 70% сложного и около 5% простого эфиров. К реакционной смеси добавляется небольшое количество углекислого натрия для нейтрализации п-толуолсульфокислоты, могущей образоваться в результате побочной реакции. Другим побочным продуктом является, повидимому, хлористый этил, хотя он и не упоминается в сообщении. При нагревании бензолсульфохлорида и метилового спирта в запаянной трубке до 160° единственными продуктами реакции получаются хлористый метил и бензолсульфокислота [144]. Вторичные и третичные спирты, вероятно, легче превращаются в хлориды при действии сульфохлоридов, чем первичные спирты, однако опытных данных по этому вопросу не имеется. Наличие й-атома хлора в молекуле спирта как будто уменьшает побочные реакции, и при нагревании с обратным холодильником п-толуолсульфохлорида и избытком этиленхлоргидрина образуется не простой эфир или дихлорэтан, а сложный эфир [148]. Такое же действие оказывает цианогруппа — при кипячении ксилольного раствора Р-цианоэтилового. спирта с п-толуолсульфохлоридом в течение нескольких часов образуется соответствующий сложный эфир с выходом 65% [149]. [c.336]

    В лаборатории углекислый газ получают при дей-ствии разбавленных соляной или азотной кислот на 4401(110 (. (пропускают через воду (для удаления следов хлороводорода) и через концентрированную серную кислоту (для осушки) и собирают (рис. 23.5). [c.498]

    Для ликвидации небольших загораний веществ, не поддающихся тушению водой или другими огнетушащими средствами, применяют твердые инертные вещества в виде порошков. К таким веществам относятся хлориды щелочных и щелочноземельных металлов (флюсы), альбуминсодержащие вещества, сухой остаток после выпарки сульфитных щелоков, карналлит, двууглекислый и углекислый натрий, поташ, квасцы. [c.446]

    Промышленный генератор СО2 позволяет получать при сжигании чистых (неодоризованных) СНГ чистый углекислый газ исключительно простым способом. При окислении СНГ при избыточном количестве воздуха образуется смесь СО2, паров воды и азота, которая может сразу же компримироваться и вдуваться непосредственно в напиток, так как пары воды конденсируются, а азот, обладающий меньщей, чем СО2, растворимостью, пройдет через жидкость, не абсорбируясь. При другом способе получения СО2 накапливается за счет абсорбции в одном из многочисленных селективных растворителей (моноэтаноламин, модифицированный карбонат калия, некоторые аминоспирты, сульфинол и т. п.), а затем регенерируется в виде концентрированного газа из растворителя. Дальнейшая очистка осуществляется при глубоком охлаждении (СО2 затвердевает при —78,5 °С, при этом отделяется большая часть газообразных примесей, имеющих более низкую точку кипения). Твердая двуокись углерода (сухой лед) используется для газирования напитков, в частности в тех случаях, когда масштабы розлива по бутылкам невелики, а организация местного производства СО2 неэкономична. [c.272]

    Оксид углерода(1У), или диоксид углерода, СО2 — бесцветный газ. Он известен также под названием углекислый газ. Прн пониженной температуре или повышенном давлении СО2 легко переходит в жидкое и твердое состояние. Твердый оксид углерода(IV) называется сухим льдом. В больших количествах оксид углерода(IV) вреден для человека и животных, может вызвать удушье. [c.173]

    Вторая группа включает методы, основанные на взаимораст-воримости нефтн и вытесняющего реагента углекислого газа, углеводородных газов высокого давления, растворителей и т. д. В эту группу входят следующие методы закачка сухого газа высокого давления вытеснение нефти обогащенным газом закачка диоксида углерода  [c.188]

    Snyder life испытаиие (трансформаторных масел) на срок службы [на стойкость к окислению] по Снайдеру soap определение жёсткости котельной воды (с помощью стандартных растворов углекислого кальция и сухого мыла) [c. 509]

    В большинстве органических соединений, в растворах азотнокислых, сернокислых и хлористых солей, в окиси углерода, сухом хлоре и сернистом газе, окислах азота, сероводороде, углекислом газе и т, п. аустенитиые хромоиикелевые стали достаточно устойчивы. [c.227]

    Методика оцределения температуры замерзания применялась следующая. Собранный прибор без охладителя и образца углеводорода продувался ТОКОМ сухого воздуха со скоростью от 10 до 20 мл/мин. Рубашка пробирки для замора ки1 апия заполнена воздухом, освобожденным от углекислого газа и паров поды. [c.349]

    Паро-кислородо-углекислотная конверсия. Паро-кислородо-углеки-слотная (ПКУ) конверсия применяется для получения технологического газа для синтеза метанола и высших спиртов. При замене 0,3 объема водяного пара углекислым газом степень превращения метана и содержание его в сухом конвертирова1Шом газе практически не меняются.Но равновесие сдвигается в сторону образования СО. И если при низких температурах происходит конверсия СО, образовавшейся из метана, то при BH oioix температурах протекает конверсия Og с получением дополнительного количества СО. [c.105]

    Азотистокислый калий дает приблизительно такие же выходы, как и азотистокислый натрий, но с нитритами кальция и бария получаются нейколько пониженные результаты. В процессе сплавления в значительных количествах образуется спирт. Поскольку исходные соединения, повидимому, были сухими, становится неясным источник воды, необходимой для гидролиза. В течение реакции непрерывно выделяется окись азота, и возможно, что алкилнитриты образуются за счет взаимодействия азотистой кислоты со спиртами, а пе из исходных реагентов. При сплавлении смеси, содержаш ей метилсульфат калия, в качестве побочного продукта выделяется метиламин. Полученный указанным способом нитроэтан содержит небольшое количество нитробутана, образование которого, равно как и образование метиламина, объяснить затруднительно. Реакция нитритов с алкилсульфатами, в зависимости от взятого соединения, начинается при 90—140°, причем температуру начала реакции можно несколько снизить, прибавляя к реакционной Смеси небольшое количество воды. Согласно патенту [123], повысить выход нитросоединения можно смешением реагентов с углекислым натрием. [c.23]

    В трехгорлую колбу, снабженную обратным холодильником и мешалкой, помещают 14,8 г изобутилового спирта, 45 мл воды и 12 г углекислого натрия. В смесь при непрерывном перемешивании и охлаждении в ледяной воде постепенно приливают раствор 20 г мар-ганцевокислого калия в 400 мл воды остальную часть окислителя добавляют небольшими порциями в сухом виде через боковой тубус (температура не должна подниматься выше 5° С). [c.138]

    Кислород, применяемый в аппаратах искусственного дыхания, часто содержит углекислый газ, возбулодающий дыхательный центр. Можно ли получить из такого кислорода чистый и сухой кислород путем пропускания газа через трубку, содержащую  [c. 118]

    Приборы и реактивы секундомер, термометр до 150 С, технохимические весы, прибор для получения углекислого газа (см, рис, 16), фарфоровая ложка, микроскоп, стеклянная пластинка, воронка, спиртовка, фарфоровая чашка, часовое стекло, фильтровальная бумага, стаканы фарфоровые емкостью 150 мл и 500 мп, пробка с отверстием для термометра, цилиндр мерный емкостью 50 мл, колба коническая емкостью 250 мл, бюретка емкостью 25 мл, «кипелки, сухой теплоизолирующий материал (асбестовая крошка, опилки, стекловата), известь-кипелка, гцпс природный и синтетический, вазелин. Растворы соляной кислогы эквивалентной концентрации — 1 моль/л и J = 1,19 г/см фенолфталеина сульфата аммония с массовой допей 10 % гидроксида кальция (насыщ.) карбоната натрия, роданида калия — 0,5 мопь/л. [c.110]

    Соли надугольной кислоты (надуглекислые, или перкарбонаты) известны для Ыа, К и РЬ. Они образуются в результате анодного окисления концентрированных растворов карбонатов при низких температурах (по схеме 2СО3 — 2е = С О ) и представляют собой бесцветные (или бледно-синеватые) кристаллические вещества, чрезвычайно гигроскопичные, но в сухом состоянии устойчивые. При нагревании эти соли переходят в карбонаты с выделением углекислого газа и кислорода, при [c.509]

    В земной атмосфере углерод находится в виде углекислого газа СОа. Содержание его в сухом воздухе незначительно и составляет приблизительно 0,03 объемных %. Интересно, что атмосфера планеты Вешра на 97% состоит из оксида углерода (IV). Это было вгервые установлено с помощью автоматической станции [c.410]

    Крупная компания ОМИ (Удилайт, г Детройт, шт. Мичиган), которая является поставщиком сырья ДЛЯ цехов электролитических покрытий, извлекает никель из осадков, образующихся из сточных вод от установок ее заказчиков. Никель, являющийся дорогостоящим металлом, удаляют из сточных вод, содержащих раствор сернокислого никеля, путем осаждения его бикарбонатом натрия в виде нерастворимого углекислого никеля. Последний осаждают и затем обезвоживают пресс-фильтром до содержания в нем 50 % твердых веществ. Сухой осадок отправляют обратно поставщику в один из четырех региональных центров, где углекислый никель превращают в высококачественный раствор сернокислого никеля [43].  [c.93]

Тип кристаллической решетки сухого льда. Гексагональная тирания. Некоторые другие элементы и решетки

Трехмерное состояние жидкой воды трудно исследовать, но многое было изучено путем анализа структуры кристаллов льда. Четыре соседних атома кислорода с водородным взаимодействием занимают вершины тетраэдра (тетра = четыре, гедрон = плоскость). Средняя энергия, необходимая для разрушения подобной связи во льду, оценивается в 23 кДж / моль -1 .

Способность молекул воды образовывать данное количество водородных цепей, а также указанная прочность создает необычно высокую температуру плавления. Когда он тает, то удерживается жидкой водой, структура которой нерегулярна. Большая часть водородных связей искажается. Для разрушения кристаллической решетки льда с водородной связью требуется большая масса энергии в виде тепла.

Особенности появления льда (Ih)

Многие из обывателей задаются вопросом о том, какая кристаллическая решетка у льда. Необходимо отметить, что плотность большинства веществ возрастает при замораживании, когда молекулярные движения замедляются и образуются плотно упакованные кристаллы. Плотность воды также увеличивается, когда она остывает до достижения максимума при 4°C (277K). Затем, когда температура опускается ниже этого значения, она расширяется.

Это увеличение обусловлено образованием открытого водородно-связанного кристалла льда с его решеткой и меньшей плотностью, в котором каждая молекула воды жестко связана указанным выше элементом и четырьмя другими значениями, и при этом двигается достаточно быстро, чтобы обладать большей массой. Поскольку происходит подобное действие, жидкость замерзает сверху вниз. Это имеет важные биологические результаты, вследствие которых слой льда на пруду изолирует живых существ подальше от сильного холода. Кроме того, два дополнительных свойства воды связаны с его водородными характеристиками: удельной теплоемкостьюи испарением.

Детальное описание структур

Первый критерий представляет собой количество, необходимое для повышения температуры 1 грамма вещества на 1°С. Для повышения градусов воды требуется относительно большая часть тепла, потому что каждая молекула участвует в многочисленных водородных связях, которые должны быть разрушены, чтобы кинетическая энергия увеличивалась. Кстати, обилие H 2 O в клетках и тканях всех крупных многоклеточных организмов означает, что флуктуация температуры внутри клеток сведена к минимуму. Эта особенность имеет решающее значение, поскольку скорость большинства биохимических реакций чувствительна.

Также значительно выше, чем у многих других жидкостей. Для преобразования этого тела в газ требуется большое количество тепла, потому что водородные связи должны быть разрушены, чтобы молекулы воды могли дислоцироваться друг от друга и войти в указанную фазу. Изменяемые тела представляют собой постоянные диполи и могут взаимодействовать с другими подобными соединениями и теми, что ионизируются и растворяются.

Иные вещества, указанные выше, могут вступать в контакт только при наличии полярности. Именно такое соединение участвует в строении этих элементов. Кроме того, оно может выравниваться вокруг этих частиц, образованных из электролитов, так что отрицательные атомы кислорода молекул воды ориентированы на катионы, а положительные ионы и атомы водорода, ориентированы на анионы.

В образуются, как правило, молекулярные кристаллические решетки и атомные. То есть если йод построен таким образом, что в нем присутствует I 2, то в твердом диоксиде углерода, то есть в сухом льде, в узлах кристаллической решетки находятся молекулы CO 2 . При взаимодействии с подобными веществами, ионную кристаллическую решетку имеет лед. Графит, например, обладающий атомной структурой, в основе которой углерод, не способен ее менять, также как и алмаз.

Что происходит, когда кристалл столовой соли растворяется в воде: полярные молекулы притягиваются к заряженным элементам в кристалле, что приводит к образованию подобных частиц натрия и хлорида на его поверхности, в результате эти тела дислоцируются друг от друга, и он начинает растворяться. Отсюда можно наблюдать, что лед имеет кристаллическую решетку с ионной связью. Каждый растворенный Na + притягивает отрицательные концы нескольких молекул воды, тогда как каждый растворенный Cl — притягивает положительные концы. Оболочка, окружающая каждый ион, называется сферой спасения и, обычно, содержит несколько слоев частиц растворителя.

Говорят, что переменные или ион, окруженные элементами, являются сульфатированными. Когда растворителем выступает вода, такие частицы гидратируются. Таким образом, любая полярная молекула имеет тенденцию к сольватации элементами жидкого тела. У сухого льда тип кристаллической решетки образует в агрегатном состоянии атомные связи, которые неизменны. Другое дело кристаллический лед (замороженная вода). Ионные органические соединения, такие как карбоксилазы и протонированные амины, должны обладать растворимостью в гидроксильной и карбонильной группах. Частицы, содержащиеся в таких структурах, двигаются между молекулами, причем их полярные системы образуют водородные связи с этим телом.

Конечно, количество последних указанных групп в молекуле влияет на ее растворимость, которая также зависит от реакции различных структур в элементе: например, одно-, двух- и трех углеродные спирты смешиваются с водой, но более крупные углеводороды с одиночными гидроксильными соединениями гораздо менее разбавляемы в жидкости.

Шестиугольный Ih схож по форме с атомной кристаллической решеткой. У льда и всего естественного снега на Земле она выглядит именно так. Об этом свидетельствует симметрия кристаллической решетки льда, выращенная из водяного пара (то есть снежинок). Находится в космической группе P 63/мм с 194; D 6h, класса Лауэ 6/мм; аналогичный β-, имеющей кратную 6-ти винтовую ось (вращение вокруг в дополнение к сдвигу вдоль нее). Он обладает довольно открытой структурой с низкой плотностью, где эффективность низкая (~ 1/3) по сравнению с простыми кубическими (~ 1/2) или гранецентрированными кубическими (~ 3/4) структурами.

По сравнению с обычным льдом, кристаллическая решетка сухого льда, связанная молекулами CO 2 , статична и меняется лишь при распаде атомов.

Описание решеток и входящих в них элементов

Кристаллы можно рассматривать, как кристаллические модели, состоящие из листов, расположенных друг над другом. Водородная связь упорядочена, тогда как в действительности она случайна, поскольку протоны могут перемещаться между молекулами воды (льда) при температурах выше примерно 5 К. Действительно, вполне вероятно, что протоны ведут себя, как квантовая жидкость в постоянном туннелированном потоке. Это усиливается рассеянием нейтронов, показывающих плотность их рассеяния на полпути между атомами кислорода, что указывает на локализацию и согласованное движение. Здесь наблюдается схожесть льда с атомной, молекулярной кристаллической решеткой.

Молекулы имеют ступенчатое расположение водородной цепи по отношению к трем своим соседям в плоскости. Четвертый элемент имеет затмеваемое расположение водородной связи. Существует небольшое отклонение от идеальной шестиугольной симметрии, как на 0,3% короче в направлении этой цепи. Все молекулы испытывают одинаковые молекулярные среды. Внутри каждой «коробки» достаточно места для удержания частиц интерстициальной воды. Хотя это, как правило, не считается, недавно они были эффективно обнаружены нейтронной дифракцией порошкообразной кристаллической решеткой льда.

Изменение веществ

Шестиугольное тело имеет тройные точки с жидкой и газообразной водой 0,01 ° C, 612 Па, твердыми элементами — три -21,985 ° C, 209,9 МПа, одиннадцать и два -199,8 ° C, 70 МПа, а также -34,7 ° C, 212,9 МПа. Диэлектрическая проницаемость гексагонального льда составляет 97,5.

Кривая плавления этого элемента дается МПа. Уравнения состояния доступны, кроме них некоторые простые неравенства, связывающие изменение физических свойств с температурой гексагонального льда и его водных суспензий. Твердость колеблется в зависимости от градусов, возрастающих примерно от или ниже гипса (≤2) при 0°С, до уровня полевого шпата (6 по при -80 ° С, аномально большое изменение абсолютной твердости (> 24 раза).

Шестиугольная кристаллическая решетка льда образует гексагональные пластины и столбцы, где верхняя и нижняя грани являются базальными плоскостями {0 0 0 1} с энтальпией 5,57 мкДж · см -2 , а другие эквивалентные боковые называются частями призмы {1 0 -1 0} с 5,94 мкДж · см -2 . Вторичные поверхности {1 1 -2 0} с 6.90 μJ ˣ см -2 могут быть сформированы по плоскостям, образованными сторонами структур.

Подобное строение показывает аномальное уменьшение теплопроводности с увеличением давления (как и кубический, и аморфный лед низкой плотности), но отличается от большинства кристаллов. Это связано с изменением водородной связи, уменьшающей поперечную скорость звука в кристаллической решетке льда и воды.

Существуют методы, описывающие, как подготовить большие образцы кристалла и любую желаемую поверхность льда. Предполагается, что водородная связь на поверхности гексагонального исследуемого тела будет более упорядоченной, чем внутри объемной системы. Вариационная спектроскопия с генерацией по частоте колебаний с фазовой решеткой показала, что существует структурная асимметрия между двумя верхними слоями (L1 и L2) в подповерхностной HO цепи базальной поверхности гексагонального льда. Принятые водородные связи в верхних слоях шестиугольниках (L1 O ··· HO L2) сильнее, чем принятые во втором слое к верхнему накоплению (L1 OH ··· O L2). Доступны интерактивные структуры гексагонального льда.

Особенности развития

Минимальное количество молекул воды, необходимых для зарождения льда, примерно 275 ± 25, как и для полного икосаэдрического кластера 280. Образование происходит с коэффициентом 10 10 на поверхности раздела воздух-вода, а не в объемной воде. Рост кристаллов льда зависит от разных темпов роста различных энергий. Вода должна быть защищена от замерзания при крио консервировании биологических образцов, пищи и органов.

Обычно это достигается быстрыми скоростями охлаждения, использованием небольших образцов и крио консерватора, а также увеличением давления для образования зародышей льда и предотвращения повреждения клеток. Свободная энергия льда / жидкости увеличивается от ~ 30 мДж/м 2 при атмосферном давлении до 40 мДж/м -2 при 200 МПа, что указывает на причину, по которой происходит подобный эффект.

В качестве альтернативы они могут расти быстрее с поверхностей призмы (S2), на случайно нарушенной поверхности быстрозамороженных или взволнованных озер. Рост от граней {1 1 -2 0}, по крайней мере, такой же, но превращает их в основания призмы. Данные о развитии кристалла льда были полностью исследованы. Относительные скорости роста элементов разных граней зависят от способности образовывать большую степень совместной гидратации. Температура (низкая) окружающей воды определяет степень разветвления в кристалле льда. Рост частиц ограничивается скоростью диффузии при низкой степени переохлаждения, то есть

Но ограничено кинетикой развития при более высоких уровнях понижения градусов >4°C, что приводит к игольчатому росту. Эта форма схожа со строением сухого льда (имеет кристаллическую решетку с шестиугольной структурой), различными характеристиками развития поверхности и температурой окружающей (переохлажденной) воды, которая находится за плоскими формами снежинок.

Зарождение льда в атмосфере глубоко влияет на образование и свойства облаков. Полевые шпаты, обнаруженные в пустынной пыли, которая попадает в атмосферу миллионами тонн в год, являются важными образователями. Компьютерное моделирование показало, что это связано с зарождением плоскостей призматических кристаллов льда на плоскостях поверхности высоких энергий.

Некоторые другие элементы и решетки

Растворенные вещества (за исключением очень небольшого гелия и водорода, которые могут входить в междоузлия) не могут быть включены в структуру Ih при атмосферном давлении, но вытесняются на поверхность или аморфный слой между частицами микрокристаллического тела. В узлах кристаллической решетки сухого льда находятся некоторые иные элементы: хаотропные ионы, такие как NH 4 + и Cl — , которые включены в более легкое замораживание жидкости, чем другие космотропные, такие как Na + и SO 4 2- , поэтому удаление их невозможно, ввиду того, что они образуют тонкую пленку из оставшейся жидкости между кристаллами. Это может привести к электрической зарядке поверхности из-за диссоциации поверхностной воды, уравновешивающей оставшиеся заряды (что также может привести к магнитному излучению) и изменению рН остаточных жидких пленок, например, NH 4 2 SO 4 становится более кислым и NaCl становится более щелочным.

Они перпендикулярны граням кристаллической решетке льда, показывающей присоединенный следующий слой (с атомами О-черный). Им характерна медленно растущая базальная поверхность {0 0 0 1}, где прикрепляются только изолированные молекулы воды. Быстро растущая {1 0 -1 0} поверхность призмы, где пары вновь присоединенных частиц могут связываться друг с другом водородом (одна его связь/две молекулы элемента). Наиболее быстро растущая грань {1 1 -2 0} (вторичная призматика), где цепочки вновь присоединенных частиц могут взаимодействовать друг с другом водородной связью. Одна ее цепочка/ молекула элемента — это форма, образующая хребты, которые делят и поощряют превращение в две стороны призмы.

Энтропия нулевой точки

k B ˣ Ln (N

Ученые и их труды в этой сфере

Может быть определена, как S 0 = k B ˣ Ln (N E0), где k B — это постоянная Больцмана, N E — эточисло конфигураций при энергии E, а E0 — наименьшая энергия. Это значение для энтропии гексагонального льда при нулевом кельвине не нарушает третьего закона термодинамики «Энтропия идеального кристалла при абсолютном нуле ровно равна нулю», поскольку эти элементы и частицы не идеальны, имеют неупорядоченное водородное связывание.

В этом теле водородная связь является случайной и быстро меняющейся. Эти структуры не точно равны по энергии, а распространяются на очень большое количество энергетически близких состояний, подчиняются «правилам льда». Энтропия нулевой точки — это беспорядок, который оставался бы, даже если материал мог бы быть охлажден до абсолютного нуля (0 K = -273,15 ° C). Порождает экспериментальную путаницу для гексагонального льда 3,41 (± 0,2) ˣ моль -1 ˣ K -1 . Теоретически, можно было бы вычислить нулевую энтропию известных ледяных кристаллов с гораздо большей точностью (пренебрегая дефектами и разбросом энергетических уровней), чем определить ее экспериментально.

Хотя порядок протонов в объемном льду не упорядочен, поверхность, вероятно, предпочитает порядок указанных частиц в виде полос свисающих Н-атомов и О-одиночных пар (нулевая энтропия с упорядоченными водородными связями). Найден беспорядок нулевой точки ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 и других. Из всего вышеизложенного видно и понятно, какие типы кристаллических решеток характерны для льда.

Вещество, как вам известно, может существовать в трёх агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твёрдом (рис. 70). Например, кислород, который при обычных условиях представляет собой газ, при температуре -194 °С превращается в жидкость голубого цвета, а при температуре -218,8 °С затвердевает в снегообразную массу, состоящую из кристаллов синего цвета.

Рис. 70.
Агрегатные состояния воды

Твёрдые вещества делят на кристаллические и аморфные.

Аморфные вещества не имеют чёткой температуры плавления — при нагревании они постепенно размягчаются и переходят в текучее состояние. К аморфным веществам относится большинство пластмасс (например, полиэтилен), воск, шоколад, пластилин, различные смолы и жевательные резинки (рис. 71).

Рис. 71.
Аморфные вещества и материалы

Кристаллические вещества характеризуются правильным расположением составляющих их частиц в строго определённых точках пространства. При соединении этих точек прямыми линиями образуется пространственный каркас, называемый кристаллической решёткой. Точки, в которых размещены частицы кристалла, называют узлами решётки.

В узлах воображаемой кристаллической решётки могут находиться одноатомные ионы, атомы, молекулы. Эти частицы совершают колебательные движения. С повышением температуры размах этих колебаний возрастает, что приводит, как правило, к тепловому расширению тел.

В зависимости от типа частиц, расположенных в узлах кристаллической решётки, и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решёток: ионные, атомные, молекулярные и металлические (табл. 6).

Таблица 6
Положение элементов в Периодической системе Д. И. Менделеева и типы кристаллических решёток их простых веществ

Простые вещества, образованные элементами, не представленными в таблице, имеют металлическую решётку.

Ионными называют кристаллические решётки, в узлах которых находятся ионы. Их образуют вещества с ионной связью, которой могут быть связаны как простые ионы Na + , Cl — , так и сложные , ОН — . Следовательно, ионные кристаллические решётки имеют соли, основания (щёлочи), некоторые оксиды. Например, кристалл хлорида натрия построен из чередующихся положительных ионов Na + и отрицательных Сl — , образующих решётку в форме куба (рис. 72). Связи между ионами в таком кристалле очень прочны. Поэтому вещества с ионной решёткой обладают сравнительно высокой твёрдостью и прочностью, они тугоплавки и нелетучи.

Рис. 72.
Ионная кристаллическая решётка (хлорид натрия)

Атомными называют кристаллические решётки, в узлах которых находятся отдельные атомы. В таких решётках атомы соединены между собой очень прочными ковалентными связями.

Рис. 73.
Атомная кристаллическая решётка (алмаз)

Такой тип кристаллической решётки имеет алмаз (рис. 73) — одно из аллотропных видоизменений углерода. Огранённые и отшлифованные алмазы называют бриллиантами. Их широко применяют в ювелирном деле (рис. 74).

Рис. 74.
Две императорские короны с алмазами:
а — корона Британской империи; б — Большая императорская корона Российской империи

К веществам с атомной кристаллической решёткой относятся кристаллические бор, кремний и германий, а также сложные вещества, например такие, как кремнезем, кварц, песок, горный хрусталь, в состав которых входит оксид кремния (IV) SiO 2 (рис. 75).

Рис. 75.
Атомная кристаллическая решётка (оксид кремния (IV))

Большинство веществ с атомной кристаллической решёткой имеют очень высокие температуры плавления (например, у алмаза она свыше 3500 °С, у кремния — 1415 °С, у кремнезёма — 1728 °С), они прочны и тверды, практически нерастворимы.

Молекулярными называют кристаллические решётки, в узлах которых располагаются молекулы. Химические связи в этих молекулах могут быть и ковалентными полярными (хлороводород НСl, вода Н 2 0), и ковалентными неполярными (азот N 2 , озон 0 3). Несмотря на то что атомы внутри молекул связаны очень прочными ковалентными связями, между самими молекулами действуют слабые силы межмолекулярного притяжения. Поэтому вещества с молекулярными кристаллическими решётками имеют малую твёрдость, низкие температуры плавления, летучи.

Примерами веществ с молекулярными кристаллическими решётками являются твёрдая вода — лёд, твёрдый оксид углерода (IV) С) 2 — «сухой лёд» (рис. 76), твёрдые хлороводород НСl и сероводород H 2 S, твёрдые простые вещества, образованные одно- (благородные газы: гелий, неон, аргон, криптон), двух- (водород Н 2 , кислород O 2 , хлор Сl 2 , азот N 2 , иод 1 2), трёх- (озон O 3), четырёх- (белый фосфор Р 4), восьмиатомными (сера S 7) молекулами. Большинство твёрдых органических соединений имеют молекулярные кристаллические решётки (нафталин, глюкоза, сахар).

Рис. 76.
Молекулярная кристаллическая решётка (углекислый газ)

Вещества с металлической связью имеют металлические кристаллические решётки (рис. 77). В узлах таких решёток находятся атомы и ионы (то атомы, то ионы, в которые легко превращаются атомы металла, отдавая свои внешние электроны в общее пользование). Такое внутреннее строение металлов определяет их характерные физические свойства: ковкость, пластичность, электро- и теплопроводность, металлический блеск.

Рис. 77.
Металлическая кристаллическая решётка (железо)

Лабораторный опыт № 13
Ознакомление с коллекцией веществ с разным типом кристаллической решётки. Изготовление моделей кристаллических решёток

Для веществ, имеющих молекулярное строение, справедлив открытый французским химиком Ж. Л. Прустом (1799-1803) закон постоянства состава. В настоящее время этот закон формулируют так:

Закон Пруста — один из основных законов химии. Однако для веществ немолекулярного строения, например ионного, этот закон не всегда справедлив.

Ключевые слова и словосочетания

1. Твёрдое, жидкое и газообразное состояния вещества.
2. Твёрдые вещества: аморфные и кристаллические.
3. Кристаллические решётки: ионные, атомные, молекулярные и металлические.
4. Физические свойства веществ с различными типами кристаллических решёток.
5. Закон постоянства состава.

Работа с компьютером

1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.
2. Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока — сделайте сообщение по ключевым словам и словосочетаниям следующего параграфа.

Вопросы и задания

1. В каком агрегатном состоянии будет находиться кислород при -205 °С?
2. Вспомните произведение А. Беляева «Продавец воздуха» и охарактеризуйте свойства твёрдого кислорода, используя его описание, приведённое в книге.
3. К какому типу веществ (кристаллические или аморфные) относятся пластмассы? Какие свойства пластмасс лежат в основе их промышленного применения?
4. К какому типу относится кристаллическая решетка алмаза? Перечислите характерные для алмаза физические свойства.
5. К какому типу относится кристаллическая решетка иода? Перечислите характерные для иода физические свойства.
6. Почему температура плавления металлов изменяется в очень широких пределах? Для подготовки ответа на этот вопрос используйте дополнительную литературу.
7. Почему изделие из кремния при ударе раскалывается на кусочки, а изделие из свинца только расплющивается? В каком из указанных случаев происходит разрушение химической связи, а в каком — нет? Почему?

Как мы знаем, все материальные вещества могут пребывать в трех базовых состояниях: жидком, твердом, и газообразном. Правда есть еще состояние плазмы, которое ученые считают ни много ни мало четвертым состоянием вещества, но наша статья не о плазме. Твердое состояние вещества потому твердое, так как имеет особую кристаллическую структуру, частицы которой находятся в определенном и четко заданном порядке, создавая, таким образом, кристаллическую решетку. Строение кристаллической решетки состоит из повторяющихся одинаковых элементарных ячеек: атомов, молекул, ионов, других элементарных частиц, связанных между собой различными узлами.

Виды кристаллических решеток

В зависимости от частиц кристаллической решетки существует четырнадцать типов оной, приведем наиболее популярные из них:

• Ионная кристаллическая решетка.
• Атомная кристаллическая решетка.
• Молекулярная кристаллическая решетка.
• кристаллическая решетка.

Ионная кристаллическая решетка

Главной особенностью строения кристаллической решетки ионов являются противоположные электрические заряды, собственно, ионов, вследствие чего образуется электромагнитное поле, определяющее свойства веществ, имеющих ионную кристаллическую решетку. А это тугоплавкость, твердость, плотность и возможность проводить электрический ток. Характерным примером ионной кристаллической решетки может быть поваренная соль.

Атомная кристаллическая решетка

Вещества с атомной кристаллической решеткой, как правило, имеют в своих узлах, состоящих собственно из атомов сильные . Ковалентная связь происходит, когда два одинаковых атома делятся друг с другом по-братски электронами, образуя, таким образом, общую пару электронов для соседних атомов. Из-за этого ковалентные связи сильно и равномерно связывают атомы в строгом порядке – пожалуй, это самая характерная черта строения атомной кристаллической решетки. Химические элементы с подобными связями могут похвастаться своей твердостью, высокой температурой . Атомную кристаллическую решетку имеют такие химические элементы как алмаз, кремний, германий, бор.

Молекулярная кристаллическая решетка

Молекулярный тип кристаллической решетки характеризуется наличием устойчивых и плотноупакованных молекул. Они располагаются в узлах кристаллической решетки. В этих узлах они удерживаются такими себе вандервальсовыми силами, которые в десять раз слабее сил ионного взаимодействия. Ярким примером молекулярной кристаллической решетки является лед – твердое вещество, имеющее однако свойство переходить в жидкое – связи между молекулами кристаллической решетки совсем слабенькие.

Металлическая кристаллическая решетка

Тип связи металлической кристаллической решетки гибче и пластичнее ионной, хотя внешне они весьма похожи. Отличительной особенностью ее является наличие положительно заряженных катионов (ионов метала) в узлах решетки. Между узлами живут электроны, участвующие в создании электрического поля, эти электроны еще называются электрическим газом. Наличие такой структуры металлической кристаллической решетки объясняет ее свойства: механическую прочность, тепло и электропроводность, плавкость.

Кристаллические решетки, видео

И в завершение подробное видео пояснения о свойствах кристаллических решеток.

Из 14 известных на сегодняшний день форм твердой воды в природе мы встречаем только одну — лед. Остальные образуются в экстремальных условиях и для наблюдений вне специальных лабораторий недоступны. Самое интригующее свойство льда — это удивительное многообразие внешних проявлений. При одной и той же кристаллической структуре он может выглядеть совершенно по-разному, принимая форму прозрачных градин и сосулек, хлопьев пушистого снега, плотной блестящей корки фирна на снежном поле или же гигантских ледниковых масс.

В небольшом японском городе Кага, расположенном на западном берегу острова Хонсю, есть необычный музей. Снега и льда. Основал его Укихиро Накайя — первый человек, который научился выращивать в лаборатории искусственные снежинки, такие же красивые, как и те, что падают с неба. В этом музее посетителей со всех сторон окружают правильные шестиугольники, потому что именно такая — гексагональная — симметрия свойственна кристаллам обычного льда (кстати, греческое слово kristallos, собственно, и означает «лед»). Она определяет многие уникальные его свойства и заставляет снежинки, при всем бесконечном их разнообразии, расти в форме звездочек с шестью, реже — тремя или двенадцатью лучами, но никогда — с четырьмя или пятью.

Молекулы в ажуре

Разгадка структуры твердой воды кроется в строении ее молекулы. Н2О можно упрощенно представить себе в виде тетраэдра (пирамиды с треугольным основанием). В центре находится кислород, в двух вершинах — по водороду, точнее — протону, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся вершины занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей, отчего их называют неподеленными.

Лед, который образуется при атмосферном давлении и плавится при 0°С, — самое привычное, но все еще не до конца понятное вещество. Многое в его структуре и свойствах выглядит необычно. В узлах кристаллической решетки льда атомы кислорода выстроены упорядоченно, образуя правильные шестиугольники, а вот атомы водорода занимают самые разные положения вдоль связей. Такое поведение атомов вообще-то нетипично — как правило, в твердом веществе все подчиняются одному закону: либо все атомы расположены упорядоченно, и тогда это — кристалл, либо случайно, и тогда это — аморфное вещество.

К «странностям» льда относят и генерацию электромагнитного излучения его растущими кристаллами. Давно известно, что большинство растворенных в воде примесей не передается льду, когда он начинает расти, проще говоря, вымораживается. Поэтому даже на самой грязной луже пленка льда чистая и прозрачная. Примеси скапливаются на границе твердой и жидкой сред, в виде двух слоев электрических зарядов разного знака, которые вызывают значительную разность потенциалов. Заряженный слой примесей перемещается вместе с нижней границей молодого льда и излучает электромагнитные волны. Благодаря этому процесс кристаллизации можно наблюдать в деталях. Так, кристалл, растущий в длину в виде иголки, излучает иначе, чем покрывающийся боковыми отростками, а излучение растущих зерен отличается от того, что возникает, когда кристаллы трескаются. По форме, последовательности, частоте и амплитуде импульсов излучения можно определить, с какой скоростью замерзает лед и какая при этом получается ледовая структура.

Неправильный лед

В твердом состоянии вода насчитывает, по последним данным, 14 структурных модификаций. Есть среди них кристаллические (их большинство), есть аморфные, но все они отличаются друг от друга взаимным расположением молекул воды и свойствами. Правда, все, кроме привычного нам льда, образуются в условиях экзотических — при очень низких температурах и высоких давлениях, когда углы водородных связей в молекуле воды изменяются и образуются системы, отличные от гексагональной. Например, при температуре ниже –110°С водяные пары выпадают на металлической пластине в виде октаэдров и кубиков размером в несколько нанометров — это так называемый кубический лед. Если температура чуть выше –110°, а концентрация пара очень мала, на пластине формируется слой исключительно плотного аморфного льда.

Две последние модификации льда — XIII и XIV — открыли ученые из Оксфорда совсем недавно, в 2006 году. Предсказание 40-летней давности о том, что должны существовать кристаллы льда с моноклинной и ромбической решетками, было трудно подтвердить: вязкость воды при температуре –160°С очень велика, и собраться вместе молекулам сверхчистой переохлажденной воды в таком количестве, чтобы образовался зародыш кристалла, трудно. Помог катализатор — соляная кислота, которая повысила подвижность молекул воды при низких температурах. В земной природе подобные модификации льда образовываться не могут, но их можно поискать на замерзших спутниках других планет.

Комиссия решила так

Снежинка — это монокристалл льда, вариация на тему гексагонального кристалла, но выросшего быстро, в неравновесных условиях. Над тайной их красоты и бесконечного разнообразия не одно столетие бьются самые пытливые умы. Астроном Иоганн Кеплер в 1611 году написал целый трактат «О шестиугольных снежинках». В 1665 году Роберт Гук в огромном томе зарисовок всего, что он увидел с помощью микроскопа, опубликовал множество рисунков снежинок самой разной формы. Первую удачную фотографию снежинки под микроскопом сделал в 1885 году американский фермер Уилсон Бентли. С тех пор он уже не мог остановиться. До конца жизни, сорок с лишним лет, Бентли фотографировал их. Более пяти тысяч кристаллов, и ни одного одинакового.

Самые знаменитые последователи дела Бентли — это уже упомянутый Укихиро Накайя и американский физик Кеннет Либбрехт . Накайя впервые предположил, что величина и форма снежинок зависят от температуры воздуха и содержания в нем влаги, и блистательно подтвердил эту гипотезу экспериментально, выращивая в лаборатории кристаллы льда разной формы. А Либбрехт у себя в и вовсе стал выращивать снежинки на заказ — заранее заданной формы.

Жизнь снежинки начинается с того, что в облаке водяного пара при понижении температуры образуются кристаллические зародыши льда. Центром кристаллизации могут быть пылинки, любые твердые частицы или даже ионы, но в любом случае эти льдинки размером меньше десятой доли миллиметра уже имеют гексагональную кристаллическую решетку.

Водяной пар, конденсируясь на поверхности этих зародышей, образует сначала крошечную гексагональную призму, из шести углов которой начинают расти совершенно одинаковые ледяные иголочки — боковые отростки. Одинаковые просто потому, что температура и влажность вокруг зародыша тоже одинаковые. На них в свою очередь вырастают, как на дереве, боковые отростки — веточки. Подобные кристаллы так и называют дендритами, то есть похожими на дерево.

Передвигаясь вверх и вниз в облаке, снежинка попадает в условия с разной температурой и концентрацией водяного пара. Ее форма меняется, до последнего подчиняясь законам гексагональной симметрии. Так снежинки становятся разными. Хотя теоретически в одном облаке на одной высоте они могут «зародиться» одинаковыми. Но путь до земли у каждой свой, довольно долгий — в среднем снежинка падает со скоростью 0,9 км в час. А значит, у каждой — своя история и своя окончательная форма. Образующий снежинку лед прозрачен, но когда их много, солнечный свет, отражаясь и рассеиваясь на многочисленных гранях, создает у нас впечатление белой непрозрачной массы — мы называем ее снегом.

Чтобы не путаться с многообразием снежинок, Международная комиссия по снегу и льду приняла в 1951 году довольно простую классификацию кристаллов льда: пластинки, звездчатые кристаллы, столбцы или колонны, иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечниками и неправильные формы. И еще три вида обледенелых осадков: мелкая снежная крупка, ледяная крупка и град.

Тем же законам подчиняется и рост инея, изморози и узоров на стеклах. Эти явления, как и снежинки, образуются при конденсации, молекула за молекулой — на земле, траве, деревьях. Узоры на окне появляются в мороз, когда на поверхности стекла конденсируется влага теплого комнатного воздуха. А вот градины получаются при застывании капель воды или когда в насыщенных водяным паром облаках лед плотными слоями намерзает на зародыши снежинок. На градины могут намерзать другие, уже сформировавшиеся снежинки, сплавляясь с ними, благодаря чему градины принимают самые причудливые формы.

Нам на Земле довольно и одной твердой модификации воды — обычного льда. Он буквально пронизывает все области обитания или пребывания человека. Собираясь в огромных количествах, снег и лед образуют особые структуры с принципиально иными, нежели у отдельных кристаллов или снежинок, свойствами. Горные ледники , ледяные покровы акваторий, вечная мерзлота, да и просто сезонный снежный покров существенно влияют на климат больших регионов и планеты в целом: даже те, кто никогда не видел снега, чувствуют на себе дыхание его масс, скопившихся на полюсах Земли, например, в виде многолетних колебаний уровня Мирового океана. А лед имеет столь большое значение для облика нашей планеты и комфортного обитания на ней живых существ, что ученые отвели для него особую среду — криосферу, которая простирает свои владения высоко в атмосферу и глубоко в земную кору.

Ольга Максименко, кандидат химических наук

Как мы уже знаем, вещество может существовать в трех агрегатных состояниях: газообразном , твердом и жидком . Кислород, который при обычных условиях находится в газообразном состоянии, при температуре -194° С преобразуется в жидкость голубоватого цвета, а при температуре -218,8° С превращается в снегообразную массу с кристаллами синего цвета.

Температурный интервал существования вещества в твердом состоянии определяется температурами кипения и плавления. Твердые вещества бывают кристаллическими и аморфными .

У аморфных веществ нет фиксированной температуры плавления – при нагревании они постепенно размягчаются и переходят в текучее состояние. В таком состоянии, например, находятся различные смолы, пластилин.

Кристаллические вещества отличаются закономерным расположением частиц, из которых они состоят: атомов, молекул и ионов, – в строго определенных точках пространства. Когда эти точки соединяются прямыми линиями, создается пространственный каркас, его называют кристаллической решеткой. Точки, в которых находятся частицы кристалла, называют узлами решетки.

В узлах воображаемой нами решетки могут находиться ионы, атомы и молекулы. Эти частицы совершают колебательные движения. Когда температура увеличивается, размах этих колебаний тоже возрастает, что приводит к тепловому расширению тел.

В зависимости от разновидности частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки, и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решеток: ионные , атомные , молекулярные и металлические .

Ионными называют такие кристаллические решетки, в узлах которых расположены ионы. Их образуют вещества с ионной связью, которой могут быть связаны как простые ионы Na+, Cl- , так и сложные SO24-, OH-. Таким образом, ионные кристаллические решетки имеют соли, некоторые оксиды и гидроксилы металлов, т.е. те вещества, в которых существует ионная химическая связь. Рассмотрим кристалл хлорида натрия, он состоит из положительно чередующихся ионов Na+ и отрицательных CL-, вместе они образуют решетку в виде куба. Связи между ионами в таком кристалле чрезвычайно устойчивы. Из-за этого вещества с ионной решеткой обладают сравнительно высокой прочностью и твердостью, они тугоплавки и нелетучи.

Атомными кристаллическими решетками называют такие кристаллические решетки, в узлах которых находятся отдельные атомы. В подобных решетках атомы соединяются между собой очень крепкими ковалентными связями. К примеру, алмаз – одно из аллотропных видоизменений углерода.

Вещества с атомной кристаллической решеткой не сильно распространены в природе. К ним относятся кристаллический бор, кремний и германий, а также сложные вещества, например такие, в составе которых есть оксид кремния (IV) – SiO 2: кремнезем, кварц, песок, горный хрусталь.

Подавляющее большинство веществ с атомной кристаллической решеткой имеют очень высокие температуры плавления (у алмаза она превышает 3500° С), такие вещества прочны и тверды, практически не растворимы.

Молекулярными называют такие кристаллические решетки, в узлах которых расположены молекулы. Химические связи в этих молекулах могут быть также, как полярными (HCl, H 2 0), так и неполярными (N 2 , O 3). И хотя атомы внутри молекукл связаны очень крепкими ковалентными связями, между самими молекулами действует слабые силы межмолекулярного притяжения. Именно поэтому вещества с молекулярными кристаллическими решетками характеризуются малой твердостью, низкой температурой плавления, летучестью.

Примерами таких веществ могут послужить твердая вода – лед, твердый оксид углерода (IV) – «сухой лед», твердые хлороводород и сероводород, твердые простые вещества, образованные одно – (благородные газы), двух – (H 2 , O 2 , CL 2 , N 2 , I 2), трех – (O 3), четырех – (P 4), восьмиатомными (S 8) молекулами. Подавляющее большинство твердых органических соединений обладают молекулярными кристаллическими решетками (нафталин, глюкоза, сахар).

blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Кристаллическая решетка льда и воды

Трехмерное состояние жидкой воды трудно исследовать, но многое было изучено путем анализа структуры кристаллов льда. Четыре соседних атома кислорода с водородным взаимодействием занимают вершины тетраэдра (тетра = четыре, гедрон = плоскость). Средняя энергия, необходимая для разрушения подобной связи во льду, оценивается в 23 кДж / моль^-1.

Способность молекул воды образовывать данное количество водородных цепей, а также указанная прочность создает необычно высокую температуру плавления. Когда он тает, то удерживается жидкой водой, структура которой нерегулярна. Большая часть водородных связей искажается. Для разрушения кристаллической решетки льда с водородной связью требуется большая масса энергии в виде тепла.

Особенности появления льда (Ih)

Многие из обывателей задаются вопросом о том, какая кристаллическая решетка у льда. Необходимо отметить, что плотность большинства веществ возрастает при замораживании, когда молекулярные движения замедляются и образуются плотно упакованные кристаллы. Плотность воды также увеличивается, когда она остывает до достижения максимума при 4°C (277K). Затем, когда температура опускается ниже этого значения, она расширяется.

Это увеличение обусловлено образованием открытого водородно-связанного кристалла льда с его решеткой и меньшей плотностью, в котором каждая молекула воды жестко связана указанным выше элементом и четырьмя другими значениями, и при этом двигается достаточно быстро, чтобы обладать большей массой. Поскольку происходит подобное действие, жидкость замерзает сверху вниз. Это имеет важные биологические результаты, вследствие которых слой льда на пруду изолирует живых существ подальше от сильного холода. Кроме того, два дополнительных свойства воды связаны с его водородными характеристиками: удельной теплоемкостьюи испарением.

Детальное описание структур

Первый критерий представляет собой количество, необходимое для повышения температуры 1 грамма вещества на 1°С. Для повышения градусов воды требуется относительно большая часть тепла, потому что каждая молекула участвует в многочисленных водородных связях, которые должны быть разрушены, чтобы кинетическая энергия увеличивалась. Кстати, обилие H₂O в клетках и тканях всех крупных многоклеточных организмов означает, что флуктуация температуры внутри клеток сведена к минимуму. Эта особенность имеет решающее значение, поскольку скорость большинства биохимических реакций чувствительна.

Теплота испарения воды также значительно выше, чем у многих других жидкостей. Для преобразования этого тела в газ требуется большое количество тепла, потому что водородные связи должны быть разрушены, чтобы молекулы воды могли дислоцироваться друг от друга и войти в указанную фазу. Изменяемые тела представляют собой постоянные диполи и могут взаимодействовать с другими подобными соединениями и теми, что ионизируются и растворяются.

Иные вещества, указанные выше, могут вступать в контакт только при наличии полярности. Именно такое соединение участвует в строении этих элементов. Кроме того, оно может выравниваться вокруг этих частиц, образованных из электролитов, так что отрицательные атомы кислорода молекул воды ориентированы на катионы, а положительные ионы и атомы водорода, ориентированы на анионы.

В твердых веществах образуются, как правило, молекулярные кристаллические решетки и атомные. То есть если йод построен таким образом, что в нем присутствует I_2, то в твердом диоксиде углерода, то есть в сухом льде, в узлах кристаллической решетки находятся молекулы CO₂. При взаимодействии с подобными веществами, ионную кристаллическую решетку имеет лед. Графит, например, обладающий атомной структурой, в основе которой углерод, не способен ее менять, также как и алмаз.

Что происходит, когда кристалл столовой соли растворяется в воде: полярные молекулы притягиваются к заряженным элементам в кристалле, что приводит к образованию подобных частиц натрия и хлорида на его поверхности, в результате эти тела дислоцируются друг от друга, и он начинает растворяться. Отсюда можно наблюдать, что лед имеет кристаллическую решетку с ионной связью. Каждый растворенный Na + притягивает отрицательные концы нескольких молекул воды, тогда как каждый растворенный Cl — притягивает положительные концы. Оболочка, окружающая каждый ион, называется сферой спасения и, обычно, содержит несколько слоев частиц растворителя.

Кристаллическая решетка сухого льда

Говорят, что переменные или ион, окруженные элементами, являются сульфатированными. Когда растворителем выступает вода, такие частицы гидратируются. Таким образом, любая полярная молекула имеет тенденцию к сольватации элементами жидкого тела. У сухого льда тип кристаллической решетки образует в агрегатном состоянии атомные связи, которые неизменны. Другое дело кристаллический лед (замороженная вода). Ионные органические соединения, такие как карбоксилазы и протонированные амины, должны обладать растворимостью в гидроксильной и карбонильной группах. Частицы, содержащиеся в таких структурах, двигаются между молекулами, причем их полярные системы образуют водородные связи с этим телом.

Конечно, количество последних указанных групп в молекуле влияет на ее растворимость, которая также зависит от реакции различных структур в элементе: например, одно-, двух- и трех углеродные спирты смешиваются с водой, но более крупные углеводороды с одиночными гидроксильными соединениями гораздо менее разбавляемы в жидкости.

Шестиугольный Ih схож по форме с атомной кристаллической решеткой. У льда и всего естественного снега на Земле она выглядит именно так. Об этом свидетельствует симметрия кристаллической решетки льда, выращенная из водяного пара (то есть снежинок). Находится в космической группе P 63/мм с 194; D 6h, класса Лауэ 6/мм; аналогичный β-, имеющей кратную 6-ти винтовую ось (вращение вокруг в дополнение к сдвигу вдоль нее). Он обладает довольно открытой структурой с низкой плотностью, где эффективность низкая (~ 1/3) по сравнению с простыми кубическими (~ 1/2) или гранецентрированными кубическими (~ 3/4) структурами.

По сравнению с обычным льдом, кристаллическая решетка сухого льда, связанная молекулами CO₂, статична и меняется лишь при распаде атомов.

Описание решеток и входящих в них элементов

Кристаллы можно рассматривать, как кристаллические модели, состоящие из листов, расположенных друг над другом. Водородная связь упорядочена, тогда как в действительности она случайна, поскольку протоны могут перемещаться между молекулами воды (льда) при температурах выше примерно 5 К. Действительно, вполне вероятно, что протоны ведут себя, как квантовая жидкость в постоянном туннелированном потоке. Это усиливается рассеянием нейтронов, показывающих плотность их рассеяния на полпути между атомами кислорода, что указывает на локализацию и согласованное движение. Здесь наблюдается схожесть льда с атомной, молекулярной кристаллической решеткой.

Молекулы имеют ступенчатое расположение водородной цепи по отношению к трем своим соседям в плоскости. Четвертый элемент имеет затмеваемое расположение водородной связи. Существует небольшое отклонение от идеальной шестиугольной симметрии, как элементарной ячейки на 0,3% короче в направлении этой цепи. Все молекулы испытывают одинаковые молекулярные среды. Внутри каждой «коробки» достаточно места для удержания частиц интерстициальной воды. Хотя это, как правило, не считается, недавно они были эффективно обнаружены нейтронной дифракцией порошкообразной кристаллической решеткой льда.

Изменение веществ

Шестиугольное тело имеет тройные точки с жидкой и газообразной водой 0,01 ° C, 612 Па, твердыми элементами – три -21,985 ° C, 209,9 МПа, одиннадцать и два -199,8 ° C, 70 МПа, а также -34,7 ° C, 212,9 МПа. Диэлектрическая проницаемость гексагонального льда составляет 97,5.

Кривая плавления этого элемента дается МПа. Уравнения состояния доступны, кроме них некоторые простые неравенства, связывающие изменение физических свойств с температурой гексагонального льда и его водных суспензий. Твердость колеблется в зависимости от градусов, возрастающих примерно от или ниже гипса (≤2) при 0°С, до уровня полевого шпата (6 по шкале Мооса) при -80 ° С, аномально большое изменение абсолютной твердости (> 24 раза).

Шестиугольная кристаллическая решетка льда образует гексагональные пластины и столбцы, где верхняя и нижняя грани являются базальными плоскостями {0 0 0 1} с энтальпией 5,57 мкДж · см ^-2, а другие эквивалентные боковые называются частями призмы {1 0 -1 0} с 5,94 мкДж · см ^-2. Вторичные поверхности {1 1 -2 0} с 6.90 μJ ˣ см ^-2 могут быть сформированы по плоскостям, образованными сторонами структур.

Подобное строение показывает аномальное уменьшение теплопроводности с увеличением давления (как и кубический, и аморфный лед низкой плотности), но отличается от большинства кристаллов. Это связано с изменением водородной связи, уменьшающей поперечную скорость звука в кристаллической решетке льда и воды.

Существуют методы, описывающие, как подготовить большие образцы кристалла и любую желаемую поверхность льда. Предполагается, что водородная связь на поверхности гексагонального исследуемого тела будет более упорядоченной, чем внутри объемной системы. Вариационная спектроскопия с генерацией по частоте колебаний с фазовой решеткой показала, что существует структурная асимметрия между двумя верхними слоями (L1 и L2) в подповерхностной HO цепи базальной поверхности гексагонального льда. Принятые водородные связи в верхних слоях шестиугольниках (L1 O ··· HO L2) сильнее, чем принятые во втором слое к верхнему накоплению (L1 OH ··· O L2). Доступны интерактивные структуры гексагонального льда.

Особенности развития

Минимальное количество молекул воды, необходимых для зарождения льда, примерно 275 ± 25, как и для полного икосаэдрического кластера 280. Образование происходит с коэффициентом 10 ¹⁰ на поверхности раздела воздух-вода, а не в объемной воде. Рост кристаллов льда зависит от разных темпов роста различных энергий. Вода должна быть защищена от замерзания при крио консервировании биологических образцов, пищи и органов.

Обычно это достигается быстрыми скоростями охлаждения, использованием небольших образцов и крио консерватора, а также увеличением давления для образования зародышей льда и предотвращения повреждения клеток. Свободная энергия льда / жидкости увеличивается от ~ 30 мДж/м² при атмосферном давлении до 40 мДж/м^-2 при 200 МПа, что указывает на причину, по которой происходит подобный эффект.

Какой тип кристаллической решетки характерен для льда

В качестве альтернативы они могут расти быстрее с поверхностей призмы (S2), на случайно нарушенной поверхности быстрозамороженных или взволнованных озер. Рост от граней {1 1 -2 0}, по крайней мере, такой же, но превращает их в основания призмы. Данные о развитии кристалла льда были полностью исследованы. Относительные скорости роста элементов разных граней зависят от способности образовывать большую степень совместной гидратации. Температура (низкая) окружающей воды определяет степень разветвления в кристалле льда. Рост частиц ограничивается скоростью диффузии при низкой степени переохлаждения, то есть <2 ° C, что приводит к большему их количеству.

Но ограничено кинетикой развития при более высоких уровнях понижения градусов >4°C, что приводит к игольчатому росту. Эта форма схожа со строением сухого льда (имеет кристаллическую решетку с шестиугольной структурой), различными характеристиками развития поверхности и температурой окружающей (переохлажденной) воды, которая находится за плоскими формами снежинок.

Зарождение льда в атмосфере глубоко влияет на образование и свойства облаков. Полевые шпаты, обнаруженные в пустынной пыли, которая попадает в атмосферу миллионами тонн в год, являются важными образователями. Компьютерное моделирование показало, что это связано с зарождением плоскостей призматических кристаллов льда на плоскостях поверхности высоких энергий.

Некоторые другие элементы и решетки

Растворенные вещества (за исключением очень небольшого гелия и водорода, которые могут входить в междоузлия) не могут быть включены в структуру Ih при атмосферном давлении, но вытесняются на поверхность или аморфный слой между частицами микрокристаллического тела. В узлах кристаллической решетки сухого льда находятся некоторые иные элементы: хаотропные ионы, такие как NH₄ ⁺ и Cl ^—, которые включены в более легкое замораживание жидкости, чем другие космотропные, такие как Na ⁺ и SO₄^2-, поэтому удаление их невозможно, ввиду того, что они образуют тонкую пленку из оставшейся жидкости между кристаллами. Это может привести к электрической зарядке поверхности из-за диссоциации поверхностной воды, уравновешивающей оставшиеся заряды (что также может привести к магнитному излучению) и изменению рН остаточных жидких пленок, например, NH ₄²SO₄ становится более кислым и NaCl становится более щелочным.

Они перпендикулярны граням кристаллической решетке льда, показывающей присоединенный следующий слой (с атомами О-черный). Им характерна медленно растущая базальная поверхность {0 0 0 1}, где прикрепляются только изолированные молекулы воды. Быстро растущая {1 0 -1 0} поверхность призмы, где пары вновь присоединенных частиц могут связываться друг с другом водородом (одна его связь/две молекулы элемента). Наиболее быстро растущая грань {1 1 -2 0} (вторичная призматика), где цепочки вновь присоединенных частиц могут взаимодействовать друг с другом водородной связью. Одна ее цепочка/ молекула элемента – это форма, образующая хребты, которые делят и поощряют превращение в две стороны призмы.

Энтропия нулевой точки

Может быть определена, как S ₀ = k _B ˣ Ln (N _E0), где k B – это постоянная Больцмана, N_E– эточисло конфигураций при энергии E, а E0 — наименьшая энергия. Это значение для энтропии гексагонального льда при нулевом кельвине не нарушает третьего закона термодинамики «Энтропия идеального кристалла при абсолютном нуле ровно равна нулю», поскольку эти элементы и частицы не идеальны, имеют неупорядоченное водородное связывание.

В этом теле водородная связь является случайной и быстро меняющейся. Эти структуры не точно равны по энергии, а распространяются на очень большое количество энергетически близких состояний, подчиняются «правилам льда». Энтропия нулевой точки – это беспорядок, который оставался бы, даже если материал мог бы быть охлажден до абсолютного нуля (0 K = -273,15 ° C). Порождает экспериментальную путаницу для гексагонального льда 3,41 (± 0,2) ˣ моль ^-1 ˣ K ^-1. Теоретически, можно было бы вычислить нулевую энтропию известных ледяных кристаллов с гораздо большей точностью (пренебрегая дефектами и разбросом энергетических уровней), чем определить ее экспериментально.

Ученые и их труды в этой сфере

Может быть определена, как S ₀ = k _B ˣ Ln (N _E0), где k B – это постоянная Больцмана, N_E– эточисло конфигураций при энергии E, а E0 — наименьшая энергия. Это значение для энтропии гексагонального льда при нулевом кельвине не нарушает третьего закона термодинамики «Энтропия идеального кристалла при абсолютном нуле ровно равна нулю», поскольку эти элементы и частицы не идеальны, имеют неупорядоченное водородное связывание.

В этом теле водородная связь является случайной и быстро меняющейся. Эти структуры не точно равны по энергии, а распространяются на очень большое количество энергетически близких состояний, подчиняются «правилам льда». Энтропия нулевой точки – это беспорядок, который оставался бы, даже если материал мог бы быть охлажден до абсолютного нуля (0 K = -273,15 ° C). Порождает экспериментальную путаницу для гексагонального льда 3,41 (± 0,2) ˣ моль ^-1 ˣ K ^-1. Теоретически, можно было бы вычислить нулевую энтропию известных ледяных кристаллов с гораздо большей точностью (пренебрегая дефектами и разбросом энергетических уровней), чем определить ее экспериментально.

Хотя порядок протонов в объемном льду не упорядочен, поверхность, вероятно, предпочитает порядок указанных частиц в виде полос свисающих Н-атомов и О-одиночных пар (нулевая энтропия с упорядоченными водородными связями). Найден беспорядок нулевой точки ZPE, J ˣ mol ^-1 ˣ K ^-1 и других. Из всего вышеизложенного видно и понятно, какие типы кристаллических решеток характерны для льда.

Структура и плотность льда CO2 в марсианских атмосферных условиях

Основные моменты

•

CO _{2 Лед} выращен в условиях, соответствующих мезосфере Марса.

•

Определена кубическая кристаллическая структура.

•

Параметр решетки уточняется в диапазоне 80–130 К.

•

Сообщается о плотности льда CO ₂ как функции температуры.

•

Исследуются последствия новой параметризации плотности для марсианских облаков.

Abstract

Облака, состоящие из CO ₂ льда, образуются по всей марсианской атмосфере. Считается, что в мезосфере ледяные облака CO ₂ образуются в результате гетерогенного зародышеобразования льда на наночастицах метеорного происхождения при температурах, часто ниже 100 K. На малых высотах CO ₂ ледяных облаков в зимних полярных регионах образуются с температурой около 145 K и приводят к нарастанию полярных ледяных шапок.Однако кристаллическая структура и связанные с ней фундаментальные свойства льда CO ₂ в марсианских условиях плохо изучены. Здесь мы представляем измерения дифракции рентгеновских лучей (XRD) льда CO ₂ , выращенного путем осаждения из паровой фазы в условиях температуры и давления, аналогичных марсианской мезосфере. Была определена кристаллическая кубическая структура, соответствующая полиморфу низкого давления (CO ₂ -I, пространственная группа Па, -3 (№ 205)). CO ₂ осаждался при температурах 80-130 К и давлениях 0.01–1 мбар соответствовало измерениям сухого льда и предыдущим литературным данным, что исключает возможность более сложной фазовой диаграммы для CO ₂ в этой области. При 80 K был определен параметр решетки 5.578 ± 0.002 Å, объем ячейки 173.554 ± 0.19 Å ³ и плотность 1.684 ± 0.002 г см ⁻³ . Используя эти измерения, мы определили тепловое расширение CO ₂ в диапазоне 80–130 K, что позволило сопоставить измерения плотности льда CO ₂ в более широком диапазоне температур (80–195 K) в сочетании с литературными данными (CO ₂ плотность = 1.72391 — 2,53 × 10 ⁻⁴ T — 2,87 × 10 ^{— 6} T ² ). Температурно-зависимые значения плотности CO ₂ используются для оценки скорости седиментации и скорости образования зародышей гетерогенного льда, что свидетельствует об увеличении скорости образования зародышей до 1000 раз по сравнению с обычно используемыми в литературе значениями. Это зависимое от температуры уравнение состояния предлагается использовать в будущих исследованиях марсианских мезосферных облаков CO ₂ .Наконец, мы обсуждаем возможные формы кристаллов льда CO ₂ в марсианской атмосфере и показываем, что вероятен ряд форм, включая кубы и октаэдры, а также их комбинацию в форме кубооктаэдров.

Ключевые слова

Марс

Атмосфера Марса

Климат Марса

Льдов

Атмосферы

Состав

Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)

© 2017 Авторы.Опубликовано Elsevier Inc.

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

(Цветной онлайн) Кубическая структура P a 3 из сухого льда (твердый CO 2).

Контекст 1

… постоянная решетки вдоль киральной цепочки (c) завышена всеми функционалами, использованными в этом исследовании, тогда как точность для постоянной решетки a варьируется. LDA значительно недооценивает a, тогда как PBE значительно улучшает описание a, что хорошо согласуется с предыдущими исследованиями. И vdW-DF, и vdW-DF2 переоценивают a и c, тогда как использование обмена C09 (vdW-DF C09x и vdW-DF2 C09x) приводит к недооценке a. С другой стороны, хотя c немного завышено, rVV10 дает сбалансированное описание обеих постоянных решетки. Из наших результатов было обнаружено, что существует корреляция между вычисленными a и c: если a завышено, ошибка c имеет тенденцию быть меньше. Таким образом, чтобы получить точные структурные параметры для тригонального селена, очень важно точно описать как ковалентные, так и vdW взаимодействия, предполагая, что этот материал может быть хорошей тестовой системой для функционала, включающего vdW.Твердая форма углекислого газа называется сухим льдом. Двуокись углерода не имеет дипольного момента, поэтому силы притяжения vdW играют важную роль в конденсации. Мы выбрали этот материал как пример применения нашей реализации vdW-DF для немагнитных молекулярных кристаллов. Кристаллический сухой лед имеет кубическую симметрию с пространственной группой P a 3 (см. Структуру на рис. 2). Для волновых функций и электронной плотности использовались отсечки плоских волн 160 и 960 Ry соответственно. Набор 8 × 8 × 8 MP k -point был использован для выборки зоны Бриллюэна.Оптимизированные структурные параметры и энергия связи для сухого льда приведены в таблице V вместе с результатами MP2 69 и экспериментальными (150K) 70. Наш равновесный объем PBE хорошо согласуется с теоретическим значением, полученным Bonev et al. 72 (52,9 A 3 / CO 2) с использованием того же функционала. С другой стороны, как равновесный объем, так и энергия связи, полученные с использованием vdW-DF, лучше согласуются с высокоточными результатами MP2 и экспериментальными (150K) результатами, что свидетельствует об улучшении по сравнению с LDA и PBE.Максимальное отклонение равновесного объема, полученного с использованием vdW-DF, составляет 9,1% по сравнению с полученным в низкотемпературном эксперименте. Приведенные выше результаты предполагают, что PBE переоценивает равновесный объем из-за отсутствия дисперсионных сил, и более точное описание структуры и энергетики сухого льда стало возможным благодаря учету дисперсионных сил с vdW-DF. Что касается серьезной недооценки энергии связи с использованием vdW-DF2 C09x, было обнаружено 73 из систематической оценки с использованием набора данных S22, что, хотя он предсказывает разумное межмолекулярное разделение (расстояние), функционал сильно недооценивает энергию связи, потому что обмен C09 является слишком отталкивающим при относительно большом градиенте плотности, относящемся к межмолекулярной области.Этот результат означает, что vdW-DF2 C09x неточно описывает межмолекулярное взаимодействие vdW. α -O 2 имеет антиферромагнитное основное состояние с кристаллической структурой пространственной группы C 2 / m, как показано на рис. 3. Имеются четыре параметра решетки: a, b, c и β, а также внутренние параметры lb (длина связи молекулы O 2) и θ (угол наклона оси молекулы). Ось молекулы почти перпендикулярна плоскости ab и немного наклонена в плоскости ac. Сообщалось, что в эксперименте угол θ составлял 3 ◦.4. В расчетах использовались отсечки плоских волн 160 и 960 Ry …

Связывание в твердом СО2 высокого давления, выявленное методом дифракции на монокристалле

22-02-2010

Твердая двуокись углерода претерпевает радикальное изменение из молекулярного твердого состояния в немолекулярное «полимерное» состояние при повышенных давлениях и температурах [1]. Полимерное состояние характеризуется исчезновением двойных связей между атомами углерода и кислорода и образованием новых одинарных связей.Остается неизвестным, происходит ли это преобразование в результате химических реакций в твердом состоянии между молекулами, достигающими критического разделения, или через промежуточные состояния, когда молекулы постепенно деформируются по мере увеличения давления. Чтобы разгадать эту загадку, исследователи из Université Pierre et Marie Curie определили структуру CO2 в фазе высокого давления IV, конечной молекулярной фазе перед ее полимеризацией в фазу V.

В условиях окружающей среды молекулярный CO ₂ является линейным и состоит из двух сильных ковалентных двойных связей между атомами углерода и кислорода длиной 1.168 Å. При приложении давления при 300 К диоксид углерода кристаллизуется при 0,6 ГПа в той же структуре, что и при низких температурах, так называемый «сухой лед» или фаза I. Эта твердая фаза типична для молекулярных твердых веществ, характеризующихся большой энергетическое разделение между сильными внутримолекулярными связями и слабыми межмолекулярными взаимодействиями . Несколько других кристаллических структур были обнаружены для CO ₂ за последние десять лет, что привело к фазовой диаграмме P-T, представленной на рис. 1 .В этой работе мы сосредоточились на фазе IV, стабильной выше ~ 11 ГПа, которая была предложена в качестве промежуточного состояния между молекулярным твердым телом низкого давления I и немолекулярной фазой высокого давления V. Действительно, структура Pbcn предложила из предыдущих экспериментов [2] предположил, что молекулы в фазе IV имели длину связи на 30% больше, чем в фазе I, и больше не были линейными, показывая угол ОСО 160 °. Однако такое искажение противоречило другим экспериментальным и теоретическим результатам, и возникла острая дискуссия о фактической структуре этой фазы.

Чтобы разрешить этот спор, мы провели эксперименты по дифракции на монокристалле фазы IV.Получение монокристалла фазы IV является сложной задачей, так как требует очень точного контроля давления в условиях высоких температур, необходимых для выращивания фазы IV из расплава (T> 800 K). Мы достигли этого, выполнив дифракцию на монокристалле с использованием ячейки с алмазными наковальнями с большими конусами для падающего и выходящего рентгеновского пучка. Ячейка была разработана для высоких температур за счет резистивного нагрева. Мы начали с поликристаллического образца фазы IV при 15 ГПа и медленно декомпрессировали до точки плавления (11 ГПа при 830 К), пока не стабилизировалась уникальная затравка кристалла (, рис. 2, ). Затем кристаллы были исследованы с использованием источников жесткого рентгеновского излучения и угловых дисперсионных установок, имеющихся на линиях пучка ID09A и ID27. Из-за небольшого размера образца и слабого поперечного сечения рассеяния CO ₂ , высокий поток фотонов синхротрона ESRF и крошечные размеры рентгеновских пятен имели решающее значение для получения хороших дифракционных данных.

Высокое качество кристаллов и дифракционных данных позволило нам решить структуру фазы IV с использованием методов ab initio : это ромбоэдрическая, пространственная группа R-3c , с 8 молекулами в примитивной элементарной ячейке ( Рисунок 3 ). Длина внутримолекулярной связи C = O оказалась немного меньше (1,155 Å), чем длина изолированной молекулы, что резко контрастирует со сценарием промежуточного связывания. Более того, никакого изгиба молекул не наблюдалось. Это показывает, что CO ₂ остается чисто молекулярным твердым телом в диапазоне давлений фазы IV.

Устойчивость этой структуры была дополнительно исследована с помощью теоретических расчетов, основанных на теории функционала плотности. Результаты очень хорошо согласуются с экспериментальными данными как по структурным параметрам, так и по рамановскому и инфракрасному спектрам.

Эти результаты также свидетельствуют о поразительном сходстве между фазовыми диаграммами высокого давления CO ₂ и N ₂ , по крайней мере, для молекулярных фаз. Действительно, эти две системы кристаллизуются в одной и той же структуре R-3c при высоком давлении, а также имеют общие структуры Pa-3 и P42 / mnm при более низких значениях P / T. Структура R-3c также воспринимается молекулами CO при высоком давлении, показывая, что это благоприятное компактное расположение для молекул стержневой формы с сильными электрическими квадруполями. Таким образом, мы можем ожидать найти такую ​​же структуру для ряда подобных соединений.

В заключение, наши результаты показывают, что полимеризация в диоксиде углерода не происходит через промежуточные состояния и, скорее всего, происходит из-за химических реакций в твердом состоянии между молекулами CO ₂ .Помимо рационализации фазовой диаграммы молекулярного CO ₂ , наши результаты должны помочь в понимании образования полимерных фаз; действительно, недавние исследования показывают, что структура полимерной фазы, образующейся при высоком давлении / температуре, сильно зависит от одной из исходных молекулярных фаз (III, II или IV) [3]. В частности, структура полимерной фазы V, которая все еще обсуждается, вполне могла быть связана со структурой фазы IV. Дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования находятся в процессе определения поведения фазы IV при ее сжатии в диапазоне давлений полимерных состояний.

Ссылки
[1] В. Йота, К.С. Ю и Х. Синн, Science 283 , 1510 (1999).
[2] J.H. Пак, К.С. Ю, В. Йота, Х. Синн, М.Ф. Николь, Т. Ле Бихан, Phys. Ред. B 68 , 014107 (2003).
[3] J. Sun, D.D. Клуг, Р. Мартонак, Я.А. Монтойя, М.-С. Ли, С. Скандоло и Э. Тосатти, Proc. Natl. Акад. Sci. США 106 , 6077 (2009).

Основная публикация и авторы
F.Дачи (а), В. Джордано (б), П. Мюнш (а) и А. Саитта (а), Структура фазы IV диоксида углерода: нарушение сценария промежуточного состояния связи, Phys. Rev. Lett. 103 , 185701 (2009).
(a) Université Pierre et Marie Curie (Париж, 6) и CNRS, IMPMC, Париж (Франция)
(b) ESRF

Изображение вверху: Сухой лед — низкотемпературная фаза твердого CO2 промышленного производства.

Физический Свойства твердых тел

В п.9.1 и снова в Разделе 10.2B мы обсуждали характеристики твердых тел. Эти свойства предполагают, что частицы (ионы, молекулы или атомы) в твердом теле занимают фиксированные позиции от которые они не могут легко переместить. Такое упорядоченное расположение называется кристаллом. структура или кристаллическая решетка твердого тела. Сильные силы притяжения между частицы удерживают их в таком порядке. Даже в этом случае, как показано на рисунке 10.9, каждая частица в твердом теле имеет некоторую кинетическую энергию и находится в

РИСУНОК 10.9 Кристаллическая структура сплошной, показывая движение компонента ионы, атомы или молекулы в пределах назначенных им Космос.

постоянное движение в своем пространстве в твердом теле (если твердое тело не имеет температуру абсолютного нуля, при которой все движение прекращается). Ионы, атомы или молекулы, из которых состоит твердое тело, колеблются, вращаются и даже перемещаются в пределах отведенного им пространства в кристаллической структуре.

Как и в газовых и жидких образцах, частицы в твердом теле имеют распределение кинетических энергий, которое зависит от температуры образца. При любой температуре некоторые частицы обладают достаточной энергией, чтобы преодолеть силы, удерживающие их на месте, и выйти из твердого тела в виде пара. Следовательно, каждое твердое тело, как и каждая жидкость, имеет давление пара, которое увеличивается с увеличением температуры. Процесс, при котором атомы или молекулы переходят непосредственно из твердого состояния в газообразное, называется сублимацией.Возвышенные твердые вещества имеют необычно высокое давление пара.

Сухой лед (твердая двуокись углерода) — знакомый пример твердого вещества, которое возгоняется. Твердая вода (лед) возгоняется. Если вы живете в холодном и сухом климате, вы могли заметить, что лед исчезает (фактически он превращается в бесцветный газ) при температуре ниже 0 ° C. Шарики моли возвышенные; они исчезают после защиты шерстяных изделий жарким летом.

Когда твердое тело нагревается, изменение его температуры зависит от его удельной теплоемкости.Решение задач удельной теплоемкости одинаково для жидкости (раздел 10.3B) или твердое тело (Раздел 2.5B).

Твердое тело плавится (превращается в жидкость), когда средняя кинетическая энергия его частиц достаточно высока, чтобы преодолеть силы притяжения между ними. По определению Точка плавления твердого тела — это температура, при которой жидкое и твердое состояния находятся в равновесии при давлении 1 атм. Мы показываем это равновесие в форме уравнения, записывая «твердое тело» как реагент и «жидкость» как продукт и соединив их двойной (равновесной) стрелкой:

Во время плавления и твердое, и жидкое вещество присутствуют до тех пор, пока все твердое не превратится. в жидкость.И наоборот, во время замораживания твердые и жидкие вещества присутствуют до тех пор, пока все жидкость превращается в твердое вещество. Процессы обозначаются надписью «плавление». над стрелкой прямого равновесия и «замораживание» при обратном равновесии стрелка. Поскольку замерзание — это процесс, обратный плавлению, точка замерзания вещества такая же, как его температура плавления. Молярная теплота плавления, H _fus , вещества — это количество тепла, которое необходимо подвести преобразовать один моль этого вещества из твердого вещества в жидкость при его плавлении точка.Расчеты, связанные с теплотой плавления, аналогичны расчетам с использованием теплота испарения.

Категории твердых тел

твердых тел

Категории твердых тел На основе Solid Pack

Твердые вещества можно разделить на три категории на основе как частицы, образующие твердую упаковку.

• Кристаллические тела — трехмерные аналоги кирпичной стены.Они имеют регулярную структуру, в которой частицы упаковываются в повторяющийся узор с одного края твердого тела к другому.
• Аморфные твердые тела (буквально «твердые тела без form «) имеют случайную структуру, почти не имеют дальний заказ.
• Поликристаллические твердые вещества представляют собой совокупность большого количества мелких кристаллов или зерен, в которых структура правильная, но кристаллы или зерна расположены случайным образом.

Степень кристалличности твердого вещества имеет большое значение. влияние на его физические свойства.

Примеры: полиэтилен, используемый для изготовления пакетов для сэндвичей и Мусорные пакеты — это аморфное твердое тело, состоящее более или менее из случайно ориентированные цепочки (-CH ₂ -CH ₂ -) связи. Бутылки для молока изготавливаются из более кристаллической формы полиэтилен, и они имеют гораздо более жесткую структуру.

Категории Твердые тела на основе связей, удерживающих твердое тело вместе

Твердые вещества можно классифицировать на основе облигаций, которые содержат атомы или молекулы вместе.Этот подход классифицирует твердые тела как молекулярные, ковалентные, ионные или металлические.

Йод (I ₂ ), сахар (C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁ ), и полиэтилен являются примерами соединений, которые являются молекулярными твердых веществ при комнатной температуре. Вода и бром — жидкости образующие твердые молекулярные частицы при небольшом охлаждении; H ₂ O замерзает при 0 ^o C и Br ₂ замерзает при -7 ^o C.