아이스h 1

Ice I_h(헥스각형 얼음 결정) (pronled: ice 1 h, ice-phase-one이라고도 함)은 일반 얼음의 육각형 결정 형태, 즉 얼린 물이다.^[1] 생물권의 거의 모든 얼음은 얼음 I이며_h, 상층 대기에 가끔 존재하는 소량의 얼음 I만_c 예외로 한다. Ice I는_h 생명체의 존재와 지구 기후의 규제에 관련된 많은 독특한 특성들을 보여준다. 이러한 속성에 대한 설명은 주로 얼음 I을_h 다루는 얼음을 참조하십시오.

결정 구조는 산소 원자가 근사면 결합 각도로 육각 대칭을 이루는 것이 특징이다. 얼음 I는_h X선 회절^[2] 및 초고해상도 열팽창 측정에서 입증되었듯이 -268°C(5K; -450°F)까지 안정적이다.^[3] Ice I 또한_h 약 210 메가파스칼(2,100 atm)의 가압하에서 안정적이며, 여기서 Ice III 또는 Ice II로 전환된다.^[4]

물리적 성질

얼음 I의_h 밀도는 0.917 g/cm로³ 액체 상태의 물보다 적다. 이는 고체 단계에서 원자가 더 멀어지게 하는 수소 결합이 존재하기 때문으로 풀이된다.^[5] 이 때문에 얼음 I이_h 물 위에 뜨는 현상은 다른 물질에 비해 매우 이례적이다. 물질의 고체 위상은 대개 액상보다 밀도가 높고 깔끔하게 포장되어 있으며 밀도가 높다. 호수가 얼면 이 온도에서 물이 가장 밀도가 높기 때문에 호수 바닥이 4°C(277K; 39°F)에 가까운 상태에서 표면에서만 그렇게 한다. 아무리 표면이 차가워져도 호수 바닥에는 항상 4 °C(277 K, 39 °F)의 층이 있다. 물과 얼음의 이러한 변칙적인 행동은 물고기가 혹독한 겨울을 견딜 수 있게 해준다. 얼음 I의_h 밀도는 냉각 시 약 -211 °C(62 K; -348 °F)까지 감소한다. 그 온도 이하에서는 얼음이 다시 팽창한다(부열팽창).^[2][3]

녹는 잠열은 5987 J/mol이고, 승화의 잠열은 50911 J/mol이다. 승화의 높은 잠재열은 주로 결정 격자 안에 있는 수소 결합의 강도를 나타낸다. 녹는 잠열은 0°C에 가까운 액체 상태의 물도 상당수의 수소 결합을 포함하고 있기 때문에 훨씬 작다. 얼음 I의_h 굴절률은 1.31이다.

결정구조

일반 얼음의 수용된 결정 구조는 1935년 리너스 폴링이 처음 제안했다. 얼음 1의_h 구조는 대략 각 꼭지점에 산소 원자가 있고 수소 결합에 의해 형성된 고리의 가장자리가 테셀링되는 육각 고리로 구성된 구겨진 평면 중 하나이다. 평면들은 ABAB 패턴으로 교대하며, B 평면은 평면 자체와 동일한 축을 따라 A 평면을 반사한다.^[6] 각 결합을 따라가는 산소 원자 사이의 거리는 약 275 pm이며 격자 내 결합 산소 원자 두 개 사이의 거리는 동일하다. 결정 격자 내 결합 사이의 각도는 사면각 109.5°에 매우 근접하며, 또한 물 분자 내 수소 원자 사이의 각도에 105°에 상당히 가깝다. 물 분자의 이 사면 결합 각도는 본질적으로 결정 격자의 밀도가 매우 낮음을 설명하며, 결정 격자의 부피 증가에서 에너지 페널티가 있더라도 사면 각도로 격자를 배열하는 것이 이롭다. 그 결과, 커다란 육각형 고리는 내부에 또 다른 물 분자가 존재할 수 있는 공간을 거의 남겨두고 있다. 이것은 자연적으로 발생하는 얼음의 액체 형태보다 밀도가 낮은 희귀한 특성을 준다. 사면각형 수소결합 육각고리는 액체 상태의 물이 4℃에서 가장 밀도가 높은 메커니즘이기도 하다. 0°C에 가까운 작은 육각형 얼음 I와 같은_h 격자가 액체 물에서 형성되며 주파수는 0°C에 가깝다. 이 효과는 물의 밀도를 감소시켜 구조물이 간헐적으로 형성될 때 4 °C에서 가장 밀도가 높아지게 한다.

수소 장애

수정 격자 속의 수소 원자는 수소 결합을 따라 매우 가깝게 놓여 있고, 그렇게 해서 각각의 물 분자가 보존된다. 이것은 격자 안의 각 산소 원자가 결합의 275 pm 길이에 따라 약 101 pm에 두 개의 수력발전소를 그 근처에 두고 있다는 것을 의미한다. 수정 격자는 절대 영점까지 냉각되면서 구조물에 얼어붙은 수소 원자의 위치에 상당한 양의 장애를 허용한다. 그 결과 결정 구조는 격자에 내재된 약간의 잔류 엔트로피를 포함하고 있으며, 각 산소 원자에 대한 요구조건을 가장 가까운 거리에서 2개의 수력자만을 가질 수 있도록 유지하면서 형성될 수 있는 수소 위치의 가능한 구성의 수에 의해 결정되며, 각 H-본드는 두 개의 산소 원자를 결합할 때마다 두 개의 산소 원자가 단지 두 개만을 가질 수 있다. 수소 원자 ^[7]한 개 이 잔류 엔트로피 S는₀ 3.5 J mol⁻¹ K와⁻¹ 동일하다.^[8]

첫 번째 원칙에서 이 숫자를 근사하게 하는 방법은 다양하다. 주어진 수의 N개의 물 분자가 있다고 가정합시다. 산소 원자는 초당적인 격자를 형성한다. 두 세트로 나눌 수 있다. 한 세트의 산소 원자는 다른 세트에 모두 놓여 있다. 한 세트의 산소 원자에 집중하라: 그 중 N/2가 있다. 각각 네 개의 수소 결합을 가지고 있는데, 그 근처에 두 개의 수소가 있고 두 개는 멀리 떨어져 있다. 있다는 뜻이다.

${\displaystyle {\tbinom {4}{2}}=6}$

이 산소 원자에 대해 허용된 수력발전소 구성 따라서 이러한 N/2 원자를 만족시키는 6개의^N/2 구성이 있다. 그러나 이제 남은 N/2 산소 원자를 생각해 보십시오. 일반적으로는 만족하지 못할 것입니다(즉, 수소 원자가 정확히 두 개 가까이 있지는 않을 것이다). 그것들 각각에 대해서,

${\displaystyle 2^{4}=16}$

수소 원자가 수소 결합을 따라 배치될 수 있으며, 그 중 6개가 허용된다. 따라서 순순히 전체 구성 수가

${\displaystyle 6^{N/2}(6/16)^{N/2}=(3/2)^{N}}$

볼츠만의 원리로 우리는 다음과 같이 결론짓는다.

${\displaystyle S_{0}=Nk\ln(3/2),}$

여기서 $k{\displaystyle }$ ${\displaystyle k}$은(는) 3.37 J mol⁻¹ K의⁻¹ 값을 산출하는 볼츠만 상수로, 측정 값에 매우 가깝다. 두 번째 세트의 산소 원자에 대한 수소 구성 16개 중 6개를 독립적으로 선택할 수 있다고 가정하기 때문에 이 추정치는 '만족'이다. 이것은 거짓이다. 가능한 구성의 정확한 개수에 더 잘 근접하고 측정 값에 가까운 결과를 얻기 위해 더 복잡한 방법을 사용할 수 있다.

이와는 대조적으로, 얼음 II의 구조는 수소 순서가 되어 있어 결정 구조가 얼음 I의 구조로 변할 때 3.22 J/mol의 엔트로피 변화를 설명하는 데 도움이 된다. 또한, 수소 순서의 정형화된_h I형 얼음 XI는 저온에서 가장 안정된 형태로 여겨진다.

참고 항목

• 얼음, 다른 결정체 형태의 얼음

참조

추가 읽기

• Fletcher, N. H. (2009-06-04). The Chemical Physics of Ice. ISBN 9780521112307.
• Petrenko, Victor F.; Whitworth, Robert W. (1999-08-19). Physics of Ice. ISBN 9780191581342.
• Chaplin, Martin (2007-11-11). "Hexagonal ice structure". Water Structure and Science. Retrieved 2008-01-02.