Conosco la spiegazione tradizionale, che dice che il ghiaccio ha grandi spazi tra le molecole $ \ ce {H2O} $ perché il legame idrogeno gli conferisce una struttura aperta. Ma cosa ha a che fare la struttura aperta con i legami idrogeno? Perché non è “un fenomeno simile osservato in altre specie che mostrano legami idrogeno, come $ \ ce {HF} $ o $ \ ce {NH3} $?
Commenti
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- Questo certamente ' non risponde la tua domanda, ma per tua informazione ' è un mito secondo cui lespansione al congelamento è esclusiva dellacqua. Esistono numerosi composti organici per i quali questo è il caso, anche alcuni elementi puri non legami idrogeno come gallio, antimonio, germanio, silicio e altri.
- Quello che ' non ottengo è perché il legame idrogeno in qualche modo fa sì che il ghiaccio abbia un struttura aperta.
Risposta
La seguente è unimmagine della forma cristallina esagonale del ghiaccio ordinario (Ice I $ _h $) tratto da SS Zumdahl, Chemistry, 3a ed., copyright © 1993 di DC Heath and Company:
Nota che le linee tratteggiate rappresentano legami idrogeno. Lacqua liquida ha effettivamente una struttura “aperta” simile anche a causa del legame idrogeno. Ma nel caso dellacqua liquida, i legami idrogeno non sono rigidi e semipermanenti come nel ghiaccio. Quindi immagina che nellimmagine sopra, la rete di legami a idrogeno collassi. Questo è ciò che accade quando è presente abbastanza energia termica per rompere i legami rigidi a idrogeno con conseguente fusione. Chiaramente, una volta che questa struttura cristallina non è più forzata al suo posto dal rigido legame idrogeno nel ghiaccio, può collassare su se stessa, determinando una maggiore densità di molecole dacqua.
Pertanto la forma liquida dellacqua, sebbene impegnata in un legame idrogeno transitorio, non è così aperta ed espansa come quando trattenuta nella sua forma solida dal legame idrogeno rigido e semipermanente.
Risposta
In aggiunta alle altre risposte, nota che la struttura “a nido dape” responsabile della riduzione della densità al congelamento non è sacrosanta Può collassare, senza sciogliersi, ad alta pressione a partire da circa 200 MPa. Queste sono le fasi di ghiaccio ad alta pressione , di cui sono note circa una dozzina. Tutti quelli in equilibrio con il liquido, a parte la fase Ice $ I_h $ a bassa pressione, sono più densi del liquido con cui sono in equilibrio; quindi il punto di fusione dellacqua inizia a salire una volta raggiunta la soglia di Ice $ III $ a circa -22 ° C e 210 MPa.
Possiamo anche andare dallaltra parte, generando strutture di ghiaccio ancora più aperte e di densità inferiore a Ice $ I_h $. Tali fasi non sono realizzate in pur Lacqua ma appare in clatrati come il ben noto metano clatrato .
Risposta
I legami idrogeno tengono in posizione le molecole dacqua in fase solida
La struttura del ghiaccio è una normale struttura aperta di molecole dacqua disposte come un nido dape
Quando si scioglie, la struttura collassa e le molecole dacqua si raggruppano più vicine tra loro, rendendo lacqua liquida più densa