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Dai fiocchi al solido: il ghiaccio e le sue strutture

ghiaccio bimolecolare

L’acqua presenta varie fasi solide, vari tipi di ghiaccio, a seconda delle sue proprietà e delle condizioni di temperatura e pressione.

Si conoscono circa 18 fasi cristalline del ghiaccio

ghiaccio, In queste l’ossigeno occupa posizioni fisse relativamente le stesse, ma gli idrogeni possono essere disordinati o ordinati.

Si conoscono tre fasi amorfe, non cristalline del ghiaccio

La ragione di questo gran numero di fasi è che la struttura molecolare dell’acqua è tetraedrica aperta nel ghiaccio esagonale sotto condizioni normali di pressione, ma sotto pressioni crescenti si possono formare un gran numero di strutture cristalline.

Tutte queste fasi cristalline presentano molecole di acqua legate ad altre quattro molecole di acqua con Legami ad Idrogeno.

Nella gran parte dei casi i due atomi di idrogeno sono equivalenti ai legami ad idrogeno di forza simile.

ghiaccioLe molecole di acqua che mantengono la propria simmetria obbediscono alla regola del ghiaccio, o regole di Bernal-Fowler, stabiliscono che:
Ogni molecola (chiamata a) ha quattro vicini con cui forma legami ad idrogeno, due idrogeni vicini ad ogni ossigeno (distanza 1 Angstrom), un idrogeno lungo la distanza tra due Ossigeni.

Di conseguenza sono permessi H-O-H···OH2 e H2O···H-O-H ma NON sono permessi H-O-H···H-O-H e H2O···OH2.

Poiché l’angolo H-O-H è circa 106.6 i legami ad idrogeno NON sono diritti (nelle figure e nelle molecole in seguito no).

Quando le regole di Bernal-Fowler sono violate sono chiari alcuni difetti (effetto Bjerrum). Potrebbero verificarsi contatti tra i due Ossigeni senza un H in mezzo (difetto L) oppure un contatto O-H····H-O (difetto D con due protoni tra un paio di ossigeni) a causa delle rotazioni molecolari dove le molecole vicine non modificano il proprio legame ad idrogeno.
Esiste un difetto causato dalla presenza della coppia ionica OH- e H3O+.

In genere l’ordinamento degli idrogeni avviene a temperature più bassa dove la pressione riduce le distanze tra i vicini di secondo guscio.

Ci si attende che l’angolo di legame nelle fasi del ghiaccio sia circa 107°, un po’ meno dell’angolo tetraedrico 109.47°

La struttura cristallina che assumono il ghiaccio e la neve sulla terra è del tipo esagonale, ghiaccio 1h, quando il cristallo si forma a partire dal vapore. In questi casi si formano strutture come i fiocchi di neve


DIMERO DELLA MOLECOLA D’ACQUA

GHIACCIO ESAGONALE 1H
—– Cella elementare del
La forma solida dell’acqua esagonale è la forma di tutta la neve ed il ghiaccio sulla terra ed è ben rappresentato dalla simmetria radiale di ordine 6 nei cristalli che si formano dal vapore.
L’efficacia dell’impaccamento è più bassa delle altre forme. Si può pensare che consista di strati disposti l’uno sull’altro. La struttura base consiste di una scatola di esamero dove i piani consistono di esameri a sedia (vedi cicloesano) con due piani orizzontali opposti, oppure di esameri a barca. Mentre gli H appaiono in posizioni fisse, in realtà la posizione è casuale dove i protoni possono muoversi tra differenti ossigeni di molecole d’acqua fino a temperature di 5K.
GHIACCIO CUBICO 1C
Cella elementare del —–
E’ una forma di solido che è stata proposto per il ghiaccio che si forma nelle nuvole a grandi altezze. Il cristallo cubico Ic è un cristallo di ghiaccio metastabile che può formarsi per condensazione del vapore acqueo a pressione ambiente ma a basse temperature, -80°C, o a -38°C in piccole goccioline di 6μm di diametro.
Di solito si trovano stati di transizione tra le due forme esagonali e cubico. Quando si forma da acqua sottoraffreddata si forma sempre una forma disordinata impilata.
Col tempo la forma cubica si trasforma nella forma esagonale attraverso forma sempre maggiori di ghiaccio impilato disordinato.
La forma cubica è rappresentata solo da esameri a barca
GHIACCIO DISORDINATO IMPILATO
—– ghiaccio disordinato impaccato
La fase solida dell’acqua, Isd, ritrovata nelle nuvole alte è composta di cristalli misti di ghiaccio cubico 1c e ghiaccio disordinato. Quest’ultimo è una forma metastabile intermedia tra la cubica e la esagonale.
Lo si è ritrovato in vari tipi di nuvole comprese quelle della troposfera superiore che si formano per il passaggio di aerei. Ha una tensione di vapore maggiore del ghiaccio esagonale. La stabilità va nel seguente ordine ice Ih > ice Isd > Ice Ic.

<--- usare con prudenza


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