Gheață III

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 6 august 2015; verificările necesită 6 modificări .

Ice III  este o varietate cristalină tetragonală de gheață de apă . Poate fi obtinut prin racirea apei la -23°C (250 K ) si o presiune de 300 MPa . Densitatea sa este mai mare decât cea a apei, dar este cea mai puțin densă dintre toate tipurile de gheață din zona de înaltă presiune (1,16 g/cm³ la o presiune de 350 MPa ). Densitatea fazei lichide la aceeași presiune este de aproximativ 1,12 g/cm³.

La o presiune de 350 MPa , densitatea gheții III este de 1,16 g/cm³. Permitivitatea statică este 117.

Conform nomenclaturii Bridgman , gheața de apă obișnuită se referă la gheața I h . În condiții de laborator (la diferite temperaturi și presiuni), s-au creat diverse modificări ale gheții : de la gheață II la gheață XIX.

Istoricul descoperirilor

Modificările gheții de înaltă presiune au fost descoperite pentru prima dată de Bridgman , care în 1912 a construit o diagramă de fază a apei. Explorând apa la diferite temperaturi și presiuni, pe lângă gheața obișnuită, el a dezvăluit încă 6 modificări structurale ale acesteia, pe care le-a desemnat ca gheață II - gheață VII [1] .

Până în anii 1960, structura cristalină a modificărilor gheții nu era clară. În 1960, B. Camb (Barclay Camb) și Datta (Datta) folosind analiza de difracție de raze X au dezvăluit simetria tetragonală în gheața III, similară cu oxidul de siliciu SiO2 .

Obținerea

Ice III este cea mai ușor de obținut și disponibil pentru cercetare gheață de înaltă presiune. A fost obținut mai întâi din gheață obișnuită la o temperatură de -22 °C (temperatura punctului triplu gheață Ih - gheață III - apă) prin creșterea presiunii la 210 MPa [1] .

Este posibil să se obțină gheață III din apă la o presiune de 210–350 MPa cu răcirea lentă (aproximativ 0,5 °C/min) la o temperatură sub punctul triplu (-22 °C).

Pentru cercetare, gheața III, după menținerea timp de o jumătate de oră la -40 °C, este răcită rapid cu azot lichid la o temperatură sub -175 °C. La această temperatură, gheața III este metastabilă, își păstrează structura atunci când presiunea scade la atmosferă, deși aceste presiuni și temperaturi corespund gheții II (peste 200 MPa) și gheții obișnuite (sub 200 MPa) din diagrama de fază.

Gheața III este instabilă la razele X și se descompune rapid la intensitate mare de iradiere, ceea ce creează dificultăți pentru analiza difracției cu raze X.

Proprietăți fizice

Structura cristalină

Gheața III are o rețea cristalină tetragonală (P4 1 2 1 2). La presiunea atmosferică și la o temperatură de −175 °C, parametrii rețelei sunt a = 6,73 ± 0,01 Å și c = 6,83 ± 0,01 Å, lungimea medie a legăturilor de hidrogen este de 2,775 Å [1] .

Spre deosebire de rețeaua tetragonală obișnuită, gheața III are o structură cristalină perturbată. În medie, fiecare moleculă are 3,2 vecini legați de hidrogen în loc de 4, dar există încă 2-3 molecule vecine nelegate de hidrogen la o distanță de aproximativ 3,6 Å.

Puncte triple ale diagramei de fază

Tabelul prezintă valorile presiunii și temperaturii în punctele triple pentru apa obișnuită și grea [2] .

faze H2O _ _ D2O _ _
P, MPa T, °C P, MPa T, °C
III Ih ȘI 209,9 −21.985 202 −18,8
III Ih II 212,9 −34,7 225 -31,0
III II V 344,3 −24,3 347 −21,5
III V ȘI 350,1 −16,986 348 −14,5

Punct de topire

În [3] , sunt prezentate modele matematice ale dependenței temperaturii de topire a diferitelor modificări ale gheții de presiune. Gheața III se topește în intervalul de temperatură 251,165 K (−21,985 °C) - 256,164 K (−16,986 °C), în timp ce valorile presiunii măsurate variază de la 209,9 la 350,1 MPa cu o eroare de ±3%. Pentru armonizarea modelelor de topire ale gheții Ih și gheții III, pentru punctul triplu III—Ih—Lichid s-a presupus o presiune de 258,566 MPa (abatere de la valoarea experimentală de 0,64%). Cu această ipoteză, dependența presiunii de temperatură pe linia de topire este exprimată prin următoarea formulă:

formula originală

În articolul original, formula este dată ca

Unde

Pentru valoarea experimentală la punctul triplu (P = 209,9 MPa), formula devine

Din ultima formulă, obținem următoarea dependență a punctului de topire de presiune:

unde 209,9 < P < 350,1 MPa.

În toate formulele, temperatura se măsoară în K, presiunea - în MPa.

Note

  1. 1 2 3 Kamb, B. și Prakash, A. Structure of ice III  // Acta Crystallographica Section B. - 1968. - Vol. 24, nr. 10 . - P. 1317-1327.
  2. Chaplin, Martin. Diagrama fazelor apei . Structura și știința apei (11 august 2009). Data accesului: 27 ianuarie 2010. Arhivat din original pe 27 martie 2012.
  3. IAPWS, Release on the pressure along the melting and the sublimation curves of ordinary water substance Arhivat 6 octombrie 2008 la Wayback Machine , (1993); PW Bridgman, Apa, în formă lichidă și în cinci forme solide, sub presiune, Proc. A.m. Acad. Arte Sci. 47 (1912) 439-558.

Link -uri