Jag känner till den traditionella förklaringen, som säger att is har stora mellanrum mellan $ \ ce {H2O} $ -molekyler eftersom vätebindning ger den en öppen struktur. Men vad har den öppna strukturen med vätebindning att göra? Varför observeras inte ett liknande fenomen i andra arter som uppvisar vätebindning, som $ \ ce {HF} $ eller $ \ ce {NH3} $?
Kommentarer
- Se det här inlägget .
- Detta svarar verkligen inte ' t din fråga, men FYI ' en myt om att expansion vid frysning är unik för vatten. Det finns ett antal organiska föreningar för vilka detta är fallet, också några rena element som tydligt inte vätebindning som gallium, antimon, germanium, kisel och mer.
- Vad jag inte får ' är varför vätebindningen på något sätt får isen att ha en öppen struktur.
Svar
Följande är en bild av den sexkantiga kristallformen av vanlig is (Ice I $ _h $) hämtad från SS Zumdahl, Chemistry, 3: e upplagan, copyright © 1993 av DC Heath and Company:
Observera att de streckade linjerna representerar vätebindningar. Flytande vatten har faktiskt en liknande ”öppen” struktur också på grund av vätebindning. Men när det gäller flytande vatten är vätebindningarna inte styva och halvpermanenta som i is. Tänk dig att i bilden ovan kollapsar vätebindningsnätet. Detta är vad som händer när tillräckligt med termisk energi är närvarande för att bryta de styva vätebindningarna som resulterar i smältning. Det är uppenbart att när denna kristallina struktur inte längre tvingas på plats av den styva vätebindningen i is kan den kollapsa i sig själv, vilket resulterar i en större densitet av vattenmolekyler.
Således är den flytande formen av vatten, även om den är förbunden med övergående vätebindning, inte lika öppen och expanderad som när den hålls fast i sin fasta form genom den styva, halv-permanenta vätebindningen.
Svar
Som ett tillägg till de andra svaren, notera att ”bikakestrukturen” som är ansvarig för den sänkta densiteten vid frysning inte är helig Det kan kollapsas, utan att smälta, genom högt tryck som börjar vid cirka 200 MPa. Dessa är högtrycksisfaser , av vilka ett dussin är kända. Alla som är i jämvikt med vätskan, förutom lågtrycksfasen $ I_h $, är tätare än vätskan med vilken de är i jämvikt; så smältpunkten för vatten börjar stiga när vi kommer till tröskeln för is $ III $ vid ungefär -22 ° C och 210 MPa.
Vi kan också gå åt andra håll och generera isstrukturer ännu mer öppna och lägre i densitet än Ice $ I_h $. Sådana faser realiseras inte i pur vatten men förekommer i klatrater som det välkända metanklassat .
Svar
Vätebindningar håller vattenmolekyler på plats i fast fas
Isstrukturen är ett regelbundet öppet ramverk av vattenmolekyler ordnade som honungskaka
När det smälter ramar kollapsar och vattenmolekylerna packas närmare varandra, vilket gör flytande vatten tätare