Ich kenne die traditionelle Erklärung, die besagt, dass Eis große Räume zwischen $ \ ce {H2O} $ -Molekülen hat, weil Wasserstoffbrücken eine offene Struktur ergeben. Aber was hat die offene Struktur mit Wasserstoffbrücken zu tun? Warum wird kein ähnliches Phänomen bei anderen Spezies beobachtet, die Wasserstoffbrückenbindungen aufweisen, wie $ \ ce {HF} $ oder $ \ ce {NH3} $?
Kommentare
- Siehe diesen Beitrag .
- Dies antwortet sicherlich nicht ' Ihre Frage, aber zu Ihrer Information ' ist ein Mythos, dass die Expansion beim Einfrieren nur in Wasser vorkommt. Es gibt eine beliebige Anzahl organischer Verbindungen, für die dies der Fall ist, auch einige reine Elemente, die eindeutig dazu gehören keine Wasserstoffbrückenbindung wie Gallium, Antimon, Germanium, Silizium und mehr.
- Was ich nicht verstehe, ist, warum die Wasserstoffbrückenbindung irgendwie dazu führt, dass das Eis ein Eis hat.
offene Struktur.
Antwort
Das Folgende ist ein Bild der hexagonalen kristallinen Form von gewöhnlichem Eis (Eis I. $ _h $) entnommen aus SS Zumdahl, Chemistry, 3. Aufl., Copyright © 1993 DC Heath and Company:
Beachten Sie, dass die gestrichelten Linien Wasserstoffbrücken darstellen. Flüssiges Wasser hat tatsächlich eine ähnliche „offene“ Struktur, auch aufgrund von Wasserstoffbrücken. Bei flüssigem Wasser sind die Wasserstoffbrückenbindungen jedoch nicht starr und semipermanent wie bei Eis. Stellen Sie sich vor, dass im obigen Bild das Wasserstoffbindungsnetzwerk zusammenbricht. Dies ist der Fall, wenn genügend Wärmeenergie vorhanden ist, um die starren Wasserstoffbrücken zu lösen, die zum Schmelzen führen. Sobald diese kristalline Struktur durch die starre Wasserstoffbindung im Eis nicht mehr an ihren Platz gebracht wird, kann sie eindeutig in sich zusammenfallen, was zu einer größeren Dichte an Wassermolekülen führt.
Somit ist die flüssige Form von Wasser, obwohl sie an einer vorübergehenden Wasserstoffbindung beteiligt ist, nicht so offen und expandiert, als wenn sie durch die starre, semipermanente Wasserstoffbindung in ihrer festen Form gehalten wird.
Antwort
Zusätzlich zu den anderen Antworten ist zu beachten, dass die „Waben“ -Struktur, die für die verringerte Dichte beim Einfrieren verantwortlich ist, nicht sakrosankt ist Es kann durch Hochdruck ab etwa 200 MPa kollabiert werden, ohne zu schmelzen. Dies sind die Hochdruckeisphasen , von denen etwa ein Dutzend bekannt sind. Alle, die sich im Gleichgewicht mit der Flüssigkeit befinden, mit Ausnahme der Niederdruck-Eis $ I_h $ -Phase, sind dichter als die Flüssigkeit, mit der sie sich im Gleichgewicht befinden. Daher beginnt der Schmelzpunkt des Wassers zu steigen, sobald wir die Schwelle von Eis $ III erreichen $ bei etwa -22 ° C und 210 MPa.
Wir können auch in die andere Richtung gehen und Eisstrukturen erzeugen, die noch offener und dichter sind als Ice $ I_h $. Solche Phasen werden nicht in pur realisiert Das Wasser erscheint jedoch in Clathraten wie dem bekannten Methanklathrat .
Antwort
Wasserstoffbrückenbindungen halten Wassermoleküle in fester Phase an Ort und Stelle
Die Struktur des Eises ist ein regelmäßiges offenes Gerüst aus Wassermolekülen, die wie Waben angeordnet sind.
Wenn das Gerüst schmilzt, kollabiert es und die Wassermoleküle packen enger zusammen, wodurch flüssiges Wasser dichter wird