Hielo III

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Ice III  es una variedad cristalina tetragonal de hielo de agua . Puede obtenerse enfriando agua a -23°C (250 K ) ya una presión de 300 MPa . Su densidad es mayor que la del agua, pero es el menos denso de todos los tipos de hielo en la zona de alta presión (1,16 g/cm³ a ​​una presión de 350 MPa ). La densidad de la fase líquida a la misma presión es de aproximadamente 1,12 g/cm³.

A una presión de 350 MPa , la densidad del hielo III es de 1,16 g/cm³. La permitividad estática es 117.

De acuerdo con la nomenclatura de Bridgman , el hielo de agua común se refiere al hielo I h ​​. En condiciones de laboratorio (a diferentes temperaturas y presiones), se crearon varias modificaciones del hielo : del hielo II al hielo XIX.

Historial de descubrimientos

Las modificaciones del hielo a alta presión fueron descubiertas por primera vez por Bridgman , quien en 1912 construyó un diagrama de fase del agua. Explorando el agua a varias temperaturas y presiones, además del hielo ordinario, reveló 6 modificaciones estructurales más, a las que denominó hielo II - hielo VII [1] .

Hasta la década de 1960, la estructura cristalina de las modificaciones del hielo no estaba clara. En 1960, B. Camb (Barclay Camb) y Datta (Datta) mediante el análisis de difracción de rayos X revelaron una simetría tetragonal en el hielo III, similar al óxido de silicio SiO 2 .

Conseguir

Ice III es el hielo de alta presión más fácil de obtener y disponible para la investigación. Primero se obtuvo a partir de hielo ordinario a una temperatura de -22 °C (temperatura del punto triple hielo Ih - hielo III - agua) aumentando la presión a 210 MPa [1] .

Es posible obtener hielo III a partir de agua a una presión de 210–350 MPa con su enfriamiento lento (alrededor de 0,5 °C/min) a una temperatura por debajo del punto triple (−22 °C).

Para la investigación, el hielo III, después de mantenerlo durante media hora a -40 °C, se enfría rápidamente con nitrógeno líquido a una temperatura inferior a -175 °C. A esta temperatura, el hielo III es metaestable, conserva su estructura cuando la presión desciende a la atmosférica, aunque estas presiones y temperaturas corresponden al hielo II (por encima de 200 MPa) y al hielo ordinario (por debajo de 200 MPa) en el diagrama de fase.

Ice III es inestable a los rayos X y se descompone rápidamente a una alta intensidad de irradiación, lo que crea dificultades para el análisis de difracción de rayos X.

Propiedades físicas

Estructura cristalina

Ice III tiene una red cristalina tetragonal (P4 1 2 1 2). A presión atmosférica y una temperatura de -175 °C, los parámetros de red son a = 6,73 ± 0,01 Å yc = 6,83 ± 0,01 Å, la longitud media de los enlaces de hidrógeno es 2,775 Å [1] .

En contraste con la red tetragonal regular, el hielo III tiene una estructura cristalina perturbada. En promedio, cada molécula tiene 3,2 vecinos con enlaces de hidrógeno en lugar de 4, pero todavía hay 2-3 moléculas vecinas sin enlaces de hidrógeno a una distancia de aproximadamente 3,6 Å.

Puntos triples del diagrama de fase

La tabla muestra los valores de presión y temperatura en los puntos triples para agua ordinaria y pesada [2] .

Etapas H2O _ _ D2O _ _
P, MPa temperatura, °C P, MPa temperatura, °C
tercero yo Y 209.9 −21.985 202 −18,8
tercero yo II 212.9 −34,7 225 -31.0
tercero II V 344.3 −24,3 347 −21,5
tercero V Y 350.1 −16.986 348 −14,5

Punto de fusión

En [3] , se presentan modelos matemáticos de la dependencia de la temperatura de fusión de varias modificaciones del hielo con la presión. Ice III se derrite en el rango de temperatura 251,165 K (−21,985 °C) - 256,164 K (−16,986 °C), mientras que los valores de presión medidos varían de 209,9 a 350,1 MPa con un error de ±3%. Para armonizar los modelos de fusión del hielo Ih y el hielo III, para el punto triple III—Ih—Líquido, se supuso una presión de 258.566 MPa (desviación del valor experimental de 0.64%). Con esta suposición, la dependencia de la presión con la temperatura en la línea de fusión se expresa mediante la siguiente fórmula:

fórmula original

En el artículo original, la fórmula se da como

dónde

Para el valor experimental en el punto triple (P = 209,9 MPa), la fórmula se convierte en

De la última fórmula, obtenemos la siguiente dependencia del punto de fusión con la presión:

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

En todas las fórmulas, la temperatura se mide en K, la presión, en MPa.

Notas

  1. ↑ 1 2 3 Kamb, B. y Prakash, A. Estructura del hielo III  // Acta Crystallographica Section B. - 1968. - Vol. 24, núm. 10 . - Pág. 1317-1327.
  2. ↑ Chaplin, Martín. Diagrama de fase de agua . Water Structure and Science (11 de agosto de 2009). Fecha de acceso: 27 de enero de 2010. Archivado desde el original el 27 de marzo de 2012.
  3. ↑ IAPWS, Liberación de la presión a lo largo de las curvas de fusión y sublimación de la sustancia de agua ordinaria . Archivado el 6 de octubre de 2008 en Wayback Machine , (1993); PW Bridgman, Agua, en forma líquida y cinco sólidas, bajo presión, Proc. Soy. Academia Ciencias de las Artes 47 (1912) 439-558.

Enlaces

 Fases de hielo