Znam tradycyjne wyjaśnienie, które mówi, że lód ma duże przestrzenie między cząsteczkami $ \ ce {H2O} $, ponieważ wiązania wodorowe nadają mu otwartą strukturę. Ale co ma wspólnego struktura otwarta z wiązaniami wodorowymi? Dlaczego nie obserwuje się podobnego zjawiska u innych gatunków wykazujących wiązania wodorowe, takich jak $ \ ce {HF} $ lub $ \ ce {NH3} $?
Komentarze
- Zobacz ten post .
- To z pewnością nie ' t odpowiedzi Twoje pytanie, ale do Twojej wiadomości to ' mit, że ekspansja po zamarznięciu jest unikalna dla wody. Istnieje wiele związków organicznych, w przypadku których tak jest, także niektóre czyste pierwiastki, które wyraźnie a nie wiązania wodorowe, takie jak gal, antymon, german, krzem i inne.
- To, czego nie ' rozumiem, nie rozumiem, to dlaczego wiązania wodorowe w jakiś sposób powodują, że lód ma otwarta struktura.
Odpowiedź
Poniżej znajduje się obraz sześciokątnej krystalicznej formy zwykłego lodu (Ice I $ _h $) pochodzi z SS Zumdahl, Chemistry, wyd. 3, copyright © 1993 DC Heath and Company:
Zauważ, że linie przerywane oznaczają wiązania wodorowe. Ciekła woda w rzeczywistości ma podobną „otwartą” strukturę, również dzięki wiązaniom wodorowym. Ale w przypadku wody w stanie ciekłym wiązania wodorowe nie są sztywne i półtrwałe, jak w lodzie. Więc wyobraź sobie, że na powyższym obrazku zapada się sieć wiązań wodorowych. Dzieje się tak, gdy obecna jest wystarczająca ilość energii cieplnej, aby zerwać sztywne wiązania wodorowe, powodując stopienie. Najwyraźniej, gdy ta krystaliczna struktura nie jest już wymuszana na miejscu przez sztywne wiązania wodorowe w lodzie, może zapaść się w siebie, powodując większą gęstość cząsteczek wody.
Zatem ciekła postać wody, chociaż zaangażowana w przejściowe wiązanie wodorowe, nie jest tak otwarta i rozszerzana, jak gdy jest utrzymywana w postaci stałej przez sztywne, półtrwałe wiązanie wodorowe.
Odpowiedź
Jako dodatek do innych odpowiedzi zwróć uwagę, że struktura „plastra miodu” odpowiedzialna za obniżoną gęstość po zamrożeniu nie jest nienaruszalna . Można go zawalić, bez topnienia, pod wysokim ciśnieniem zaczynającym się od około 200 MPa. Są to fazy lodu pod wysokim ciśnieniem , z których kilkanaście jest znanych. Wszystkie te w równowadze z cieczą, poza niskociśnieniową fazą Ice $ I_h $, są gęstsze niż ciecz, z którą są w równowadze, więc temperatura topnienia wody zaczyna rosnąć, gdy osiągniemy próg Ice $ III $ przy około -22 ° C i 210 MPa.
Możemy również pójść w drugą stronę, generując struktury lodowe jeszcze bardziej otwarte i o mniejszej gęstości niż Ice $ I_h $. Takie fazy nie są realizowane w pur Woda, ale pojawia się w klatratach, takich jak dobrze znany klatrat metanu .
Odpowiedź
Wiązania wodorowe utrzymują cząsteczki wody na miejscu w fazie stałej
Struktura lodu to regularna otwarta struktura cząsteczek wody ułożonych jak plaster miodu
Kiedy się topi, struktura zapada się a cząsteczki wody upychają się bliżej siebie, dzięki czemu woda w stanie ciekłym jest bardziej gęsta