Reguli de gheață
În chimie și știința materialelor , regulile gheții (regulile gheții) sunt cele trei principii de bază care descriu și guvernează dispunerea atomilor de hidrogen într-un cristal de gheață considerat „ideal”.
Mai sunt numite reguli (sau legi ) Bernal-Fowler , numite după cei doi cărturari care le-au enucleat și enunțat pentru prima dată în 1933 [1] , oamenii de știință britanici John Desmond Bernal și Ralph H. Fowler .
Principiile lui Bernal și Fowler
Având în vedere că, în molecula de apă, singurul atom de oxigen este legat de o legătură covalentă la cei doi atomi de hidrogen , cele trei reguli stabilesc că [2] :
- fiecare moleculă de apă este înconjurată de alte patru și este orientată în așa fel încât cei doi atomi de hidrogen să fie direcționați aproximativ către doi dintre cei patru atomi de oxigen din jur (aranjați aproximativ pentru a forma un tetraedru );
- în fiecare legătură O ··· O este implicat un singur atom de hidrogen;
- fiecare atom de oxigen are doi atomi de hidrogen cei mai apropiați (la o distanță de aproximativ 1 Å), astfel încât structura moleculei de apă este păstrată.
Cu alte cuvinte, în gheața obișnuită I h fiecare atom de oxigen este legat la un total de patru de hidrogen: la doi dintre ei cu o legătură puternică ( legătură covalentă ) și la ceilalți doi cu o legătură mai slabă ( legătură de hidrogen ). Fiecare atom de hidrogen este legat de doi oxigen, puternic cu unul și slab cu celălalt. Configurația geometrică rezultată este o rețea periodică. Distribuția legăturilor pe această rețea este reprezentată de un digraf (săgeți) și poate fi ordonată sau dezordonată.
În 1935 , Linus Pauling a folosit-o pentru a calcula entropia reziduală (entropia punctului zero) a gheții I h [3] . Din astfel de motive (și altele), regulile îi sunt uneori atribuite greșit și numite „regulile de gheață ale lui Pauling”, care nu trebuie confundate cu regulile lui Pauling (cinci), care reglementează și prezic structura cristalină a compușilor ionici .
Observații
În ceea ce privește prima dintre condiții, trebuie remarcat faptul că legăturile de hidrogen nu pot fi drepte, deoarece amplitudinea unghiurilor HOH este de aproximativ 106,6 grade [4] .
Conform celui de-al doilea principiu, numai legăturile de tip HOH ··· OH2 sau H2O ··· HOH sunt permise, în timp ce contactele de tip HOH ··· HOH sau H2O ··· OH2 [4] sunt interzise.
Defecte cristaline
Principiile descriu un comportament ideal, dar în practica reală există încălcări ale acestor legi, care duc la apariția defectelor structurale în cristal : în câmpul de gheață specific, aceste anomalii cristaline sunt numite „defecte Bjerrum” și sunt responsabile, printre celelalte lucruri, conductivitatea electrică și timpul lung de relaxare (10-4 secunde).
De exemplu, atunci când rotația intrinsecă dintre două molecule vecine le împiedică să aranjeze legăturile de hidrogen în respectarea principiului orientării atomilor de hidrogen , pot apărea situații cu legături moleculare de tip O, adică fără interpunerea unui proton (configurație numit defect L , sau defect leer ), sau contacte intermoleculare de tip OH ···· HO, în care doi protoni sunt interpuse între doi atomi de oxigen (anomalie numită defect D sau defect doppelt ).
Un alt tip de anomalie în cristal este defectul ionic cauzat de prezența ionilor H3O + și OH- în gheață.
Notă
- ^ (EN) JD Bernal și RH Fowler , A Theory of Water and Ionic Solution, with Particular Reference to Hydrogen and Hydroxyl Ions , în The Journal of Chemical Physics, vol. 1, nr. 8, 1 ianuarie 1933, p. 515, bibcode : 1933JChPh ... 1..515B , DOI : 10.1063 / 1.1749327 . Adus la 26 martie 2017 .
- ^ SJ Singer, J.-L. Kuo, TK Hirsch, C. Knight, L. Ojamäe și ML Klein, Topologie cu legături de hidrogen și tranzițiile de fază de ordonare a hidrogenului de gheață VII / VIII și Ice Ih / XI , în Physical Review Letters , vol. 94, nr. 13, aprilie 2005, Bibcode : 2005PhRvL..94m5701S , DOI : 10.1103 / PhysRevLett.94.135701 , PMID 94.135701 .
- ^ (EN) L. Pauling , The Structure and Entropy of Ice and of Crystals with Some Other Randomness of Atomic Arrangement , în Journal of the American Chemical Society, vol. 57, nr. 12, 1 decembrie 1935, pp. 2680-2684, DOI : 10.1021 / ja01315a102 .
- ^ A b (EN) M. Chaplin, „Gheața stăpânește” , în Water Structure and Science , LSBU , 15 noiembrie 2016. Accesat la 17 martie 2017 .
Bibliografie
- (RO) Martin Chaplin, „Gheața stăpânește” , în Water Structure and Science , London South Bank University , 15 noiembrie 2016. Accesat la 17 martie 2017 .
- ( EN ) Cristal de gheață , pe Glosar de meteorologie , ediția a II-a, Societatea Americană de Meteorologie . Adus la 15 martie 2017 .
- Sherwin J. Singer, Jer-Lai Kuo, Tomas K. Hirsch, Chris Knight, Lars Ojamäe și Michael L. Klein, Topologie de legătură cu hidrogen și tranziția fazei de ordonare a hidrogenului Ice VII / VIII și Ice Ih / XI , în Physical Review Scrisori , vol. 94, nr. 13, aprilie 2005, Bibcode : 2005PhRvL..94m5701S , DOI : 10.1103 / PhysRevLett.94.135701 , PMID 15904003 .
Elemente conexe
linkuri externe
- ( RO ) SnowCrystals.com! , la its.caltech.edu , Caltech-California Institute of Technology .
- ( EN ) Întrebări frecvente. Lucruri pe care ai vrut întotdeauna să le știi despre cristalele de zăpadă ... , pe its.caltech.edu , Institutul de Tehnologie Caltech-California .
