Ik ken de traditionele verklaring, die zegt dat ijs grote ruimtes tussen $ \ ce {H2O} $ moleculen heeft, omdat waterstofbinding het een open structuur geeft. Maar wat heeft de open structuur met waterstofbinding te maken? Waarom wordt “geen soortgelijk fenomeen waargenomen bij andere soorten die waterstofbinding vertonen, zoals $ \ ce {HF} $ of $ \ ce {NH3} $?
Opmerkingen
- Zie dit bericht .
- Dit geeft zeker geen ' antwoord uw vraag, maar het ' is een mythe dat expansie bij bevriezing uniek is voor water. Er zijn een aantal organische verbindingen waarvoor dit het geval is, ook enkele zuivere elementen die duidelijk geen waterstofbinding zoals gallium, antimoon, germanium, silicium en meer.
- Wat ik niet ' snap, is waarom de waterstofbinding er op de een of andere manier voor zorgt dat het ijs een open structuur.
Answer
Het volgende is een afbeelding van de hexagonale kristallijne vorm van gewoon ijs (Ice I $ _h $) overgenomen van SS Zumdahl, Chemistry, 3e ed., copyright © 1993 door DC Heath and Company:
Merk op dat de stippellijnen waterstofbruggen voorstellen. Vloeibaar water heeft eigenlijk een soortgelijke “open” structuur, ook door waterstofbinding. Maar in het geval van vloeibaar water zijn de waterstofbruggen niet stijf en semi-permanent zoals in ijs. Stel je dus voor dat in de bovenstaande afbeelding het waterstofbindingsnetwerk instort. Dit is wat er gebeurt als er voldoende thermische energie aanwezig is om de stijve waterstofbruggen te verbreken, wat resulteert in smelten. Het is duidelijk dat als deze kristalachtige structuur niet langer op zijn plaats wordt gedwongen door de stijve waterstofbinding in ijs, het in zichzelf kan instorten, wat resulteert in een grotere dichtheid van watermoleculen.
Dus de vloeibare vorm van water, hoewel bezig met tijdelijke waterstofbinding, is niet zo open en geëxpandeerd als wanneer het in zijn vaste vorm wordt gehouden door de stijve, semi-permanente waterstofbinding.
Antwoord
Merk als aanvulling op de andere antwoorden op dat de “honingraat” -structuur die verantwoordelijk is voor de verlaagde dichtheid bij bevriezing niet heilig is . Het kan worden ingestort, zonder te smelten, door hoge druk vanaf ongeveer 200 MPa. Dit zijn de ijsfasen onder hoge druk , waarvan er ongeveer een dozijn bekend zijn. Al degenen die in evenwicht zijn met de vloeistof, behalve de lage druk Ice $ I_h $ fase, zijn dichter dan de vloeistof waarmee ze in evenwicht zijn; dus het smeltpunt van water begint te stijgen zodra we de drempel van Ice $ III bereiken $ bij ongeveer -22 ° C en 210 MPa.
We kunnen ook de andere kant op gaan en ijsstructuren genereren die nog opener en lager in dichtheid zijn dan Ice $ I_h $. Dergelijke fasen worden niet gerealiseerd in pur e water maar verschijnen in clathrates zoals het bekende methaanclathraat .
Antwoord
Waterstofbruggen houden watermoleculen op hun plaats in vaste fase
Structuur van ijs is een regelmatig open raamwerk van watermoleculen gerangschikt als een honingraat
Wanneer het smelt, stort het raamwerk in en de watermoleculen pakken zich dichter bij elkaar, waardoor vloeibaar water dichter wordt