Es I_h

Es I_h (kristal es heksagonal) (dilafalkan: es satu h, juga dikenal sebagai es fase satu) adalah bentuk kristal heksagonal dari es biasa, atau air beku.^[1] Hampir semua es di biosfer adalah es I_h, kecuali sejumlah kecil es I_c yang kadang dapat ditemui di atmosfer bagian atas. Es I_h menunjukkan banyak sifat khas yang relevan dengan keberadaan kehidupan dan pengaturan iklim global. Untuk penjelasan tentang sifat-sifat ini, lihat Es, yang berkaitan terutama dengan es I_h.

Struktur kristal es ini dicirikan oleh atom oksigen yang membentuk simetri heksagonal dengan sudut ikatan tetrahedral yang dekat. Es I_h stabil hingga suhu −268 °C (5 K; −450 °F), sebagaimana dibuktikan oleh difraksi sinar-X^[2] dan pengukuran ekspansi termal beresolusi sangat tinggi.^[3] Es I_h juga stabil di bawah tekanan yang diterapkan hingga sekitar 210 megapascal (2.100 atm) di mana ia bertransisi menjadi es III atau es II.^[4]

Sifat fisik

Massa jenis es I_h adalah 0,917 g/cm³ yang lebih kecil dari massa jenis air cair. Hal ini disebabkan adanya ikatan hidrogen yang menyebabkan atom menjadi lebih dekat dalam fase cair.^[5] Karena itu, es I_h mengapung di atas air, yang sangat tidak biasa jika dibandingkan dengan bahan lainnya. Fase padat bahan ini biasanya dikemas lebih rapat dan rapi serta memiliki massa jenis yang lebih tinggi daripada fase cair. Saat danau membeku, mereka hanya membeku di permukaan sedangkan dasar danau tetap mendekati 4 °C (277 K; 39 °F) karena air paling padat pada suhu ini. Sedingin apa pun permukaannya, selalu ada lapisan di dasar danau yang bersuhu 4 °C (277 K; 39 °F). Perilaku anomali air dan es inilah yang memungkinkan ikan bertahan hidup di musim dingin yang keras. Massa jenis es I_h meningkat saat didinginkan, hingga suhu sekitar −211 °C (62 K; −348 °F); di bawah suhu tersebut, es mengembang lagi (ekspansi termal negatif).^[2]^[3]

Panas peleburan latennya adalah 5987 J/mol, dan panas sublimasi latennya adalah 50.911 J/mol. Panas sublimasi laten yang tinggi pada prinsipnya menunjukkan kekuatan ikatan hidrogen dalam kisi kristal. Panas peleburan latennya jauh lebih kecil, sebagian disebabkan karena air cair mendekati 0 °C juga mengandung banyak ikatan hidrogen. Indeks bias es I_h adalah 1,31.

Struktur kristal

Struktur kristal es biasa yang diterima pertama kali diusulkan oleh Linus Pauling pada tahun 1935. Struktur es I_h kira-kira merupakan salah satu bidang berkerut yang terdiri dari cincin heksagonal meneselasi, dengan atom oksigen pada setiap titik, dan tepi cincin dibentuk oleh ikatan hidrogen. Bidang itu bergantian dalam pola ABAB, dengan bidang B merupakan pantulan bidang A sepanjang sumbu yang sama dengan bidang itu sendiri.^[6] Jarak antara atom oksigen sepanjang setiap ikatan adalah sekitar 275 pm dan sama antara dua atom oksigen yang terikat dalam kisi. Sudut antar ikatan dalam kisi kristal sangat dekat dengan sudut tetrahedral 109,5°, yang juga cukup dekat dengan sudut antara atom hidrogen dalam molekul air (dalam fase gas), yaitu 105°. Sudut ikatan tetrahedral molekul air ini pada dasarnya bertanggung jawab atas massa jenis kisi kristal yang luar biasa rendah – hal ini bermanfaat bagi kisi untuk disusun dengan sudut tetrahedral meskipun ada penalti energi dalam peningkatan volume kisi kristal. Akibatnya, cincin heksagonal besar menyisakan ruang yang hampir cukup untuk molekul air lain di dalamnya. Hal ini memberikan es yang terjadi secara alami sifatnya yang langka, yaitu menjadi kurang padat daripada bentuk cairnya. Cincin heksagonal berikatan hidrogen bersudut tetrahedral juga merupakan mekanisme yang menyebabkan air cair menjadi terpadat pada suhu 4 °C. Mendekati 0 °C, kisi-kisi kecil berbentuk seperti es I_h berbentuk heksagonal dalam air cair, dengan frekuensi yang lebih besar mendekati 0 °C. Efek ini menurunkan massa jenis air, menyebabkannya menjadi terpadat pada suhu 4 °C ketika strukturnya jarang terbentuk.

Gangguan hidrogen

Atom hidrogen dalam kisi kristal terletak sangat dekat di sepanjang ikatan hidrogen, dan sedemikian rupa sehingga setiap molekul air diawetkan. Ini berarti bahwa setiap atom oksigen dalam kisi memiliki dua hidrogen yang berdekatan, pada sekitar 101 pm sepanjang 275 pm panjang ikatan. Kisi kristal memungkinkan sejumlah besar gangguan pada posisi atom hidrogen yang membeku ke dalam struktur saat mendingin hingga nol mutlak. Akibatnya, struktur kristal mengandung beberapa entropi sisa yang melekat pada kisi dan ditentukan oleh jumlah kemungkinan konfigurasi posisi hidrogen yang dapat dibentuk sambil tetap mempertahankan persyaratan untuk setiap atom oksigen hanya memiliki dua hidrogen dalam jarak terdekat, dan masing-masing ikatan-H yang menggabungkan dua atom oksigen yang hanya memiliki satu atom hidrogen.^[7] Entropi sisa S₀ ini sama dengan 3,5 J mol⁻¹ K⁻¹.^[8]

Ada berbagai cara untuk memperkirakan angka ini dari prinsip pertama. Misalkan ada sejumlah N molekul air. Atom oksigen membentuk kisi bipartit: mereka dapat dibagi menjadi dua set, dengan semua tetangga atom oksigen dari satu set terletak pada set lainnya. Fokuskan perhatian pada atom oksigen dalam satu set: jumlahnya N/2. Masing-masing memiliki empat ikatan hidrogen, dengan dua hidrogen dekat dengannya dan dua jauh darinya. Ini berarti ada

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

konfigurasi hidrogen yang diperbolehkan untuk atom oksigen ini. Jadi, terdapat 6^N/2 konfigurasi yang memenuhi atom N/2 ini. Tapi sekarang, pertimbangkan atom oksigen N/2 yang tersisa: secara umum mereka tidak akan puas (yaitu, mereka tidak akan memiliki tepat dua atom hidrogen di dekat mereka). Untuk masing-masing dari mereka, terdapat

2^{4}=16

kemungkinan penempatan atom hidrogen di sepanjang ikatan hidrogennya, enam di antaranya diperbolehkan. Jadi, secara naif, kita memperkirakan jumlah total konfigurasi menjadi

6^{N/2}(6/16)^{N/2}=(3/2)^{N}.

Dengan menggunakan prinsip Boltzmann, kita dapat menyimpulkan bahwa

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

dengan $k$ adalah konstanta Boltzmann, yang menghasilkan nilai 3,37 J mol⁻¹ K⁻¹, nilai yang sangat dekat dengan nilai terukur. Perkiraan ini 'naif', karena mengasumsikan enam dari 16 konfigurasi hidrogen untuk atom oksigen pada set kedua dapat dipilih secara independen, padahal itu salah. Metode yang lebih kompleks dapat digunakan untuk memperkirakan dengan lebih baik jumlah kemungkinan konfigurasi yang tepat, dan mencapai hasil yang mendekati nilai terukur.

Sebaliknya, struktur es II berorde hidrogen, yang membantu menjelaskan perubahan entropi sebesar 3,22 J/mol ketika struktur kristal berubah menjadi es I. Juga, es XI, bentuk es ortorombik berorde hidrogen, I_h, dianggap sebagai bentuk paling stabil pada suhu rendah.

Lihat pula

Es, untuk bentuk es kristal lainnya

Referensi

^ Norman Anderson. "The Many Phases of Ice" (PDF). Iowa State University. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 7 Oktober 2009.
^ ^a ^b Rottger, K.; Endriss, A.; Ihringer, J.; Doyle, S.; Kuhs, W. F. (1994). "Lattice Constants and Thermal Expansion of H₂O and D₂O Ice I_h Between 10 and 265 K". Acta Crystallogr. B50 (6): 644–648. doi:10.1107/S0108768194004933.
^ ^a ^b David T. W. Buckingham, J. J. Neumeier, S. H. Masunaga, and Yi-Kuo Yu (2018). "Thermal Expansion of Single-Crystal H₂O and D₂O Ice Ih". Physical Review Letters. 121 (18): 185505. Bibcode:2018PhRvL.121r5505B. doi:10.1103/PhysRevLett.121.185505 . PMID 30444387.
^ P. W. Bridgman (1912). "Water, in the Liquid and Five Solid Forms, under Pressure". Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences. 47 (13): 441–558. doi:10.2307/20022754. JSTOR 20022754.
^ Atkins, Peter; de Paula, Julio (2010). Physical chemistry (edisi ke-9). New York: W. H. Freeman and Co. hlm. 144. ISBN 978-1429218122.
^ Bjerrum, N (11 April 1952). "Structure and Properties of Ice". Science. 115 (2989): 385–390. Bibcode:1952Sci...115..385B. doi:10.1126/science.115.2989.385. PMID 17741864.
^ Bernal, J. D.; Fowler, R. H. (1 Januari 1933). "A Theory of Water and Ionic Solution, with Particular Reference to Hydrogen and Hydroxyl Ions". The Journal of Chemical Physics. 1 (8): 515. Bibcode:1933JChPh...1..515B. doi:10.1063/1.1749327.
^ Pauling, Linus (1 Desember 1935). "The Structure and Entropy of Ice and of Other Crystals with Some Randomness of Atomic Arrangement". Journal of the American Chemical Society. 57 (12): 2680–2684. doi:10.1021/ja01315a102.

Bacaan lebih lanjut

Fletcher, N. H. (4 Juni 2009). The Chemical Physics of Ice. ISBN 9780521112307.
Petrenko, Victor F.; Whitworth, Robert W. (19 Agustus 1999). Physics of Ice. ISBN 9780191581342.
Chaplin, Martin (11 November 2007). "Hexagonal ice structure". Water Structure and Science. Diakses tanggal 25 Maret 2023.

[1] Norman Anderson. "The Many Phases of Ice" (PDF). Iowa State University. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 7 Oktober 2009.

[Rottger-2] Rottger, K.; Endriss, A.; Ihringer, J.; Doyle, S.; Kuhs, W. F. (1994). "Lattice Constants and Thermal Expansion of H₂O and D₂O Ice I_h Between 10 and 265 K". Acta Crystallogr. B50 (6): 644–648. doi:10.1107/S0108768194004933.

[Buckingham-3] David T. W. Buckingham, J. J. Neumeier, S. H. Masunaga, and Yi-Kuo Yu (2018). "Thermal Expansion of Single-Crystal H₂O and D₂O Ice Ih". Physical Review Letters. 121 (18): 185505. Bibcode:2018PhRvL.121r5505B. doi:10.1103/PhysRevLett.121.185505 . PMID 30444387.

[4] P. W. Bridgman (1912). "Water, in the Liquid and Five Solid Forms, under Pressure". Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences. 47 (13): 441–558. doi:10.2307/20022754. JSTOR 20022754.

[5] Atkins, Peter; de Paula, Julio (2010). Physical chemistry (edisi ke-9). New York: W. H. Freeman and Co. hlm. 144. ISBN 978-1429218122.

[bjerrum-6] Bjerrum, N (11 April 1952). "Structure and Properties of Ice". Science. 115 (2989): 385–390. Bibcode:1952Sci...115..385B. doi:10.1126/science.115.2989.385. PMID 17741864.

[bernal-7] Bernal, J. D.; Fowler, R. H. (1 Januari 1933). "A Theory of Water and Ionic Solution, with Particular Reference to Hydrogen and Hydroxyl Ions". The Journal of Chemical Physics. 1 (8): 515. Bibcode:1933JChPh...1..515B. doi:10.1063/1.1749327.

[8] Pauling, Linus (1 Desember 1935). "The Structure and Entropy of Ice and of Other Crystals with Some Randomness of Atomic Arrangement". Journal of the American Chemical Society. 57 (12): 2680–2684. doi:10.1021/ja01315a102.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]