얼음 1h
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1. 개요
얼음 Ih는 물이 어는 과정에서 생성되는 얼음의 한 종류로, 상온에서 육각형 결정 구조를 갖는 고체 상태의 물이다. 물보다 밀도가 낮아 물에 뜨는 특성을 보이며, 융해 잠열과 승화 잠열이 높다. 얼음 Ih의 결정 구조는 수소 결합으로 인해 안정적이며, 극저온과 고압 환경에서 다른 형태의 얼음으로 변형될 수 있다.
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| 얼음 1h | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 화학식 | H₂O |
| 몰 질량 | 18.01528(33) g/mol |
| 결정 구조 | 육방정계 |
| 공간군 | P6₃/mmc |
| 격자 상수 | a = 4.52 Å, c = 7.36 Å (173 K) |
| 밀도 | 0.9340 g/cm³ (263 K) |
| 굴절률 | nω = 1.309, nε = 1.313 (589 nm) |
| 열역학적 성질 | |
| 녹는점 | 0 °C (273.15 K), 0.0001 ± 0.0001 °C |
| 열팽창 계수 | a축: 52.5 × 10⁻⁶ K⁻¹ (170 K) c축: 124 × 10⁻⁶ K⁻¹ (170 K) |
| 압력 | 210 MPa |
| 설명 | |
| 설명 | 일반적인 형태의 얼음으로, 자연에서 가장 흔하게 발견되는 얼음의 결정 형태이다. |
2. 물리적 특성
얼음 Ih는 액체 물보다 밀도가 낮은 0.917 g/cm3이다. 이는 수소 결합으로 인해 고체 상태에서 원자 간 거리가 멀어지기 때문이다.[5]
2. 1. 밀도와 부력
얼음 Ih의 밀도는 0.917 g/cm3로, 액체 물의 밀도보다 낮다. 이는 고체상 내의 원자 간 거리를 멀어지게 하는 수소 결합 때문에 나타나는 현상이다.[5] 얼음이 물에 뜨는 것은 다른 물질에서는 매우 드문 일이다. 일반적인 고체는 액체보다 밀도가 높아 더 빽빽하게 채워지기 때문이다. 호수가 얼면 표면만 얼고, 호수 바닥은 물의 밀도가 가장 높아지는 4°C 부근을 유지한다. 표면이 아무리 차가워도 호수 바닥에는 항상 4°C의 물이 층을 이루어 존재한다. 물과 얼음의 이러한 특이한 성질 덕분에 물고기는 혹독한 겨울을 이겨낼 수 있다. 얼음 Ih의 밀도는 약 -211°C까지 냉각하면 증가하고, 그 이하로 내려가면 다시 팽창한다(부의 열팽창).[6][7]2. 2. 열역학적 성질
융해 잠열은 이고, 승화 잠열은 이다. 높은 승화 잠열은 주로 결정 격자 내 수소 결합의 강도를 나타낸다. 융해 잠열은 훨씬 작은데, 이는 0 °C 근처의 액체 물에도 상당한 수소 결합이 포함되어 있기 때문이다.[5] 얼음 Ih의 굴절률은 1.31이다.3. 결정 구조
얼음 1h는 육각형 대칭의 결정 구조를 가지며, 산소 원자가 정사면체 결합 각에 가깝게 배열되어 있다. x-선 회절과 초 고해상도 열팽창 측정으로 -268 °C(5K, -450 °F)까지 안정적임이 증명되었다.[12][13] 또한 최대 약 210메가 파스칼(2,100 기압)의 가압력까지에서 온도가 적정하게 유지된다면 안정적으로 유지될 수 있으며, 이러한 온도와 기압 범위를 벗어나면 얼음 II(ice II) 또는 얼음 III(ice III)로 전환될 수 있다.[14]
3. 1. 분자 배열
결정 구조는 산소 원자들이 정사면체 결합 각에 가까운 육각형 대칭을 이루는 것이 특징이다. 얼음 Ih는 주름진 면이 ABAB 패턴으로 교대로 배열된 형태이며, B면은 A면을 같은 축을 따라 반사시킨 것이다.[8] 각 결합을 따른 산소 원자 간 거리는 약 275pm이며, 격자 내에서 결합된 두 산소 원자 사이의 거리는 동일하다. 결정 격자 내의 결합 각도는 109.5°의 정사면체 각도에 매우 가깝다.[12][13][14]
3. 2. 수소 결합
일반적인 얼음의 결정 구조는 1935년에 라이너스 폴링에 의해 처음 제안되었다. 얼음 Ih의 구조는 각 꼭지점에 산소 원자가 있고 수소 결합에 의해 형성된 링의 가장자리를 가진 모자이크상의 육각형 링으로 이루어진 주름진 면이다. 이 면은 ABAB 패턴으로 교대로 배열되어 있으며, B면은 평면 자체와 같은 축을 따라 A면을 반사시킨 것이다.[8] 각 결합을 따른 산소 원자 간의 거리는 약 275pm이며, 격자 내의 결합된 두 산소 원자 사이에서 동일하다. 결정 격자 내의 결합 간의 각도는 109.5°의 정사면체 각도에 매우 가깝고, 이는 물 분자(기상 중)의 수소 원자 간의 각도인 105°에도 매우 가깝다. 물 분자의 이 사면체 결합각은 결정 격자의 비정상적으로 낮은 밀도를 설명한다. 결정 격자의 체적 증가에는 에너지적인 불이익이 있지만, 격자가 사면체 각도로 배치되는 것은 유익한 것이다. 결과적으로, 큰 육각형 링에 의해 다른 물 분자가 내부에 존재하기에 충분한 공간이 남겨진다. 이로 인해, 자연적으로 발생하는 얼음에 액체보다 밀도가 낮다는 특이한 성질이 부여된다. 사면체의 각도로 수소 결합된 육각형 링은, 액체 상태의 물이 4 °C에서 가장 밀도가 높아지는 메커니즘이기도 하다. 0 °C 부근에서는 액체 상태의 물 안에 작은 육각형 얼음 Ih와 같은 격자가 형성되고, 0 °C에 가까울수록 그 빈도가 높아진다. 이 효과로 인해 물의 밀도가 낮아지고, 구조의 형성 빈도가 낮은 4 °C에서 가장 밀도가 높아진다.
3. 3. 수소의 무질서도
수소 원자는 수소 결합에 거의 일치하며, 각 물 분자가 유지된다. 격자 내의 각 산소 원자에는 2개의 인접한 수소가 있으며, 275pm의 결합 길이를 따라 101pm 간격으로 인접해 있다. 수소 원자가 절대 영도까지 냉각되면, 결정 격자에 의해 구조 내에서 고정된 수소 원자의 위치에 상당한 양의 무질서가 발생한다. 그 결과, 결정 구조에는 격자 고유의 가능한 수소 위치 배치의 수에 의해 결정되는 잔여 엔트로피가 포함된다. 이는 각 산소 원자가 2개의 수소만을 가장 가깝게 가지고, 1개의 수소 원자만을 갖는 2개의 산소 원자를 결합하는 각 수소 결합이라는 필요 조건을 유지하면서 형성될 수 있다[9]。이 잔여 엔트로피 ''S''0는 3.5 J mol−1 K−1과 같다[10]。최초의 원리로부터 이 수를 대략 계산하는 다양한 방법이 있다. 수소 분자가 ''N''개 주어졌다고 하자. 산소 원자는 이분 격자를 형성한다. 그것들은 두 개의 세트로 나눌 수 있으며, 한 세트의 산소 원자의 모든 인접한 것들이 다른 세트에 포함된다. 한 세트의 산소 원자에 주목하면 ''N/2''개의 산소 원자가 있다. 각각에 4개의 수소 결합이 있으며, 2개의 수소는 가깝고 2개의 수소는 멀리 있다. 이것은 이 산소 원자에 대해 수소의 구성이 6가지() 가능하다는 것을 의미한다. 따라서, 이들 ''N/2''개의 원자를 채우는 6''N/2'' 개의 구성이 있다. 여기서 나머지 ''N/2''개의 산소 원자를 고려하면 일반적으로 충족되지 않는다 (즉, 그 근처에는 정확히 2개의 수소 원자가 없다). 각각에 대해, 수소 결합을 따라 수소 원자의 16개()의 가능한 배치가 있으며, 그 중 6개가 허용된다. 따라서, 단순하게 생각하면 구성의 총 수는 으로 예측할 수 있다. 볼츠만 공식을 사용하면 가 된다. 여기서 는 볼츠만 상수이며, 3.37 J mol−1 K−1의 값을 가지며, 측정 값과 매우 가깝다. 두 번째 세트의 산소 원자의 16개의 수소 구성 중 6개가 독립적으로 선택될 수 있다 (오류이다)고 가정하고 있기 때문에, 이 추정은 "소박"하다. 더 복잡한 방법을 사용하여 가능한 구성의 정확한 수를 더 정확하게 근사화하고, 측정 값에 더 가까운 결과를 얻을 수 있다.
4. 안정성
얼음 Ih는 x-선 회절과 초고해상도 열팽창 측정으로 입증된 바와 같이 -268°C (5,000)까지 안정적이다.[12][13] 또한 얼음 Ih는 최대 약 210 메가파스칼 (2,100 기압)의 압력까지 안정적이며, 이 온도와 압력 범위를 벗어나면 얼음 II 또는 얼음 III로 전환될 수 있다.[14]
5. 한국에서의 얼음 Ih
한국의 겨울철에는 강이나 호수가 얼어 얼음 1h를 쉽게 관찰할 수 있다.
참조
[1]
논문
The Many Phases of Ice
http://atom.me.gatec[...]
Iowa State University
[2]
논문
Lattice Constants and Thermal Expansion of H2O and D2O Ice Ih Between 10 and 265 K
[3]
논문
Thermal Expansion of Single-Crystal H2O and D2O Ice Ih
[4]
논문
Water, in the Liquid and Five Solid Forms, under Pressure
[5]
서적
Physical chemistry.
W. H. Freeman and Co.
2010
[6]
논문
Lattice Constants and Thermal Expansion of H2O and D2O Ice Ih Between 10 and 265 K
[7]
논문
Thermal Expansion of Single-Crystal H2O and D2O Ice Ih
[8]
논문
Structure and Properties of Ice
1952-04-11
[9]
논문
A Theory of Water and Ionic Solution, with Particular Reference to Hydrogen and Hydroxyl Ions
1933-01-01
[10]
논문
The Structure and Entropy of Ice and of Other Crystals with Some Randomness of Atomic Arrangement
1935-12-01
[11]
논문
The Many Phases of Ice
http://atom.me.gatec[...]
Iowa State University
[12]
논문
Lattice Constants and Thermal Expansion of H2O and D2O Ice Ih Between 10 and 265 K
[13]
논문
Thermal Expansion of Single-Crystal H2O and D2O Ice Ih
[14]
논문
Water, in the Liquid and Five Solid Forms, under Pressure
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