Eu conheço a explicação tradicional, que diz que o gelo tem grandes espaços entre as moléculas de $ \ ce {H2O} $ porque a ligação de hidrogênio fornece uma estrutura aberta. Mas o que a estrutura aberta tem a ver com ligações de hidrogênio? Por que não é um fenômeno semelhante observado em outras espécies que exibem ligações de hidrogênio, como $ \ ce {HF} $ ou $ \ ce {NH3} $?
Comentários
- Veja esta postagem .
- Isso certamente não ' responde sua pergunta, mas, para sua informação, ' é um mito de que a expansão após o congelamento é exclusiva da água. Existem vários compostos orgânicos para os quais este é o caso, também alguns elementos puros que claramente não ligação de hidrogênio como gálio, antimônio, germânio, silício e muito mais.
- O que eu não ' entendo é por que a ligação de hidrogênio de alguma forma faz com que o gelo tenha um estrutura aberta.
Resposta
A seguir está uma imagem da forma cristalina hexagonal de gelo comum (Ice I $ _h $) retirado de SS Zumdahl, Chemistry, 3rd ed., copyright © 1993 por DC Heath and Company:
Observe que as linhas tracejadas representam ligações de hidrogênio. A água líquida na verdade tem uma estrutura “aberta” semelhante, também devido às ligações de hidrogênio. Mas, no caso da água líquida, as ligações de hidrogênio não são rígidas e semipermanentes como no gelo. Então imagine que na imagem acima, a rede de ligações de hidrogênio entre em colapso. Isso é o que acontece quando energia térmica suficiente está presente para quebrar as ligações rígidas de hidrogênio, resultando na fusão. Claramente, uma vez que essa estrutura cristalina não seja mais forçada a se encaixar na ligação de hidrogênio rígida no gelo, ela pode entrar em colapso, resultando em uma densidade maior de moléculas de água.
Assim, a forma líquida da água, embora envolvida em ligações de hidrogênio transitórias, não é tão aberta e expandida como quando mantida em sua forma sólida pela ligação de hidrogênio rígida e semipermanente.
Resposta
Como uma adição às outras respostas, observe que a estrutura “favo de mel” que é responsável pela densidade reduzida após o congelamento não é sacrossanta . Ele pode ser colapsado, sem derreter, por alta pressão começando em cerca de 200 MPa. Estas são as fases do gelo de alta pressão , das quais cerca de uma dúzia são conhecidas. Todos aqueles em equilíbrio com o líquido, exceto a fase de gelo $ I_h $ de baixa pressão, são mais densos do que o líquido com o qual estão em equilíbrio; portanto, o ponto de derretimento da água começa a subir assim que chegarmos ao limite de gelo $ III $ a cerca de -22 ° C e 210 MPa.
Também podemos ir no sentido contrário, gerando estruturas de gelo ainda mais abertas e com densidade mais baixa do que o gelo $ I_h $. Tais fases não são realizadas em pur e água, mas aparecem em clatratos, como o conhecido clatrato de metano .
Resposta
As ligações de hidrogênio mantêm as moléculas de água no lugar na fase sólida
A estrutura do gelo é uma estrutura aberta regular de moléculas de água organizadas como um favo de mel
Quando ele derrete, a estrutura colapsa e as moléculas de água ficam mais próximas, tornando a água líquida mais densa