Die unglaubliche Magie des Eises

Eis ist eine magische Substanz. Es ist die Farbe des Winters. Es ist die Grobheit eines eiskalten Morgens auf der Windschutzscheibe eines Autos. Es ist die Weichheit von frisch gefallenem Schnee. In unserer irdischen Welt, in der die Wissenschaft alles Okkultistische in die Enge getrieben hat, scheint die Formänderung des Eises - jetzt eine Flüssigkeit, jetzt ein Feststoff - unglaublich.

In den 1880er Jahren wurden große Eisblöcke von den Großen Seen geschnitten und auf Schiffen in die ganze Welt nach Kalkutta in Indien geschickt. Auf dieser epischen Reise überquerte das temperamentvolle Eis zweimal den Äquator und endete dann im Brandyglas eines englischen Gentlemans.

Wenn der Eiswürfel in meiner Küche nicht zwanzig Minuten alleine hält, wie überlebt er diese lange Reise, ohne zu schmelzen?

Sie haben vielleicht gehört, dass einige amerikanische Ureinwohner fünfzig Worte für Schnee hatten, aber wissen Sie, dass es über achtzehn Arten von Eis gibt? Einige von ihnen verhalten sich wie Metalle, während andere ionisch sind. Einige sind leicht, während andere dicht sind.

Einige können sogar in den eisigen Monden des Jupiter gefunden werden.

Bild 1: Schifffahrtsrouten der Welt Eishandel 1856 [1]

Ferneishandel

Frederick Tudor begann 1806 mit dem New England Ice-Handel und machte ein Vermögen mit dem Verkauf von Ice an Indien [1]. Die obige Karte zeigt die Eishandelsroute an ihrem Höhepunkt. Eis wurde geschnitten und buchstäblich in alle Ecken der Welt geschickt.

Von Neuengland aus reisten die Eisschiffe südlich des Äquators um das Kap der Guten Hoffnung und nach Nordosten nach Kalkutta und China. Eisschiffe hatten große Holzrümpfe, die mit Heu isoliert waren. Überall auf der Strecke wurden riesige Lagerhäuser gebaut, um das Eis sicher zu halten. Nur die effizientesten Seeleute wurden von diesen Handelshäusern angeworben.

Was diesen Handel aber vor allem ermöglichte, waren die hohe latente Schmelzwärme des Wassers und die Gesetze der Thermodynamik.

Der Schlüssel zum Eisfernhandel bestand darin, Eis in großen Blöcken zu transportieren.

Das Schmelzen von Eis ist ein Duell zwischen Volumen und Oberfläche. Wärme gelangt nur über die freiliegende Oberfläche in das Eis, die im Fall eines Würfels proportional zum Quadrat der Länge ist.

Ein Eiswürfel mit einer Länge von 2 Einheiten hat eine Fläche proportional zu 2² (4) und ein Volumen proportional zu 2³ (8).

Ein größerer Block der Größe 10 hat eine Oberfläche von 10² (100) und ein Volumen von 10³ (1000).

Beachten Sie, dass 2² 50% von 2², 10² nur 10% von 10³ sind. Wenn die Größe des Würfels zunimmt, nimmt das Volumen viel schneller zu als die Oberfläche. Ein großer Eisblock braucht viel Wärme, um zu schmelzen. Es hat aber nur eine Oberfläche, die ausreicht, um einen Bruchteil dieser Wärme pro Zeiteinheit abzuführen. Das Ergebnis ist, dass Eisblöcke lange genug halten, um drei Ozeane zu durchqueren.

Große Eisberge überleben lange Zeit im Wasser, werden jedoch schneller von Meerwasser angegriffen, das sich ins Eis einschleicht und es von innen heraus knackt. Daher hatten alle Eisschiffe auf See Motoren mit Windmühlenantrieb, die kontinuierlich schmelzendes Wasser abpumpten. Risse vergrößern die freiliegende Oberfläche und sorgen für mehr Haut, damit das Eis blutet.

Die Nichtwelt des schweren Eises

Schwimmende Eisberge sind jedoch eine große Kuriosität, an die wir selten denken.

Eis ist die feste Form von Wasser. Feststoffe sind im Allgemeinen dichter als Flüssigkeiten. Wenn Eis dichter als Wasser war, hätte es auf den Grund sinken und nicht schamlos darüber schweben sollen. Dennoch hat Eis für immer unsere Intuition für den Festkörper gebrochen. Denken Sie daran, wenn Sie das nächste Mal ein Eis trinken.

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der Eis schwerer war als Wasser. Es ist Winter auf dieser Welt und das erste Eis bildet sich über dem Meer. Da das Eis schwer ist, sinkt es auf den Grund und setzt der Kälte mehr Wasser aus.

Dieser Zyklus setzt sich fort, bis der gesamte Ozean ein fester Eisblock ist. Dieser Ozean ist kein Freund des Lebens. Die Tatsache, dass Eis leichter als Wasser ist, ist eine Grundvoraussetzung für das Leben auf der Erde, ohne die es kein Leben geben könnte. Technisch ist es als "anomale Ausdehnungseigenschaft von Wasser" bekannt.

Wie alles in der Geschichte der Materialien hängen diese Eigenschaften von der Struktur des Eises ab. Kristalleis ist eine Wabe von Wassermolekülen, eine geordnete Anordnung des ansonsten ungeordneten Wasserstoff-Sauerstoff-Wasserstoff-Dreier.

Das Wassermolekül

Ein Wassermolekül ist V-förmig, aber mit einem größeren Winkel zwischen den Händen. Der große Sauerstoff im Zentrum zieht die Wasserstoffelektronen zu sich hin. Das gesamte Molekül ist elektrisch neutral, aber die Ladung ist asymmetrisch verteilt: Der Sauerstoff ist negativ und die Wasserstoffatome sind positiv, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Abb. 2: Ein Wassermolekül. Der zentrale Sauerstoff ist leicht negativ, während die Wasserstoffatome leicht positiv sind [2]

Interessant ist, was passiert, wenn sich Wassermoleküle nähern. Der positive Wasserstoff eines Moleküls zieht den Sauerstoff eines zweiten Moleküls an. Die Wasserstoffe dieses zweiten Moleküls ziehen einen dritten Sauerstoff auf.

Das Ergebnis ist eine Art Hippie-Kollektiv, bei dem ein Molekül an einem anderen klebt, das wiederum an einem anderen klebt und so weiter. Flüssiges Wasser ist daher ein Meer dieser Klumpen von Wassermolekülen, die durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden sind.

Abb. 3: Wassermoleküle, die über Wasserstoffbrückenbindungen verbunden sind [3]

Die Absenkung der Temperatur hat den Effekt, dass diese Moleküle sediert werden. Sie richten sich nun so aus, dass sich die Sauerstoff- und Wasserstoffatome gegenüberstehen. Richten Sie alle V-Sätze aufeinander aus und sehen Sie, was Sie erhalten:

Bild 4: Das hexagonale Kristallgitter des Wassers [4]

Die Eiswabe

Das Ergebnis ist eine Sammlung von Sechsecken, die sauber zu einer Wabe zusammengefügt sind. Ein Blick auf das Bild oben zeigt, dass diese Struktur viel Freiraum hat und dass hexagonales Eis 9% mehr Volumen als Wasser hat. Wasser hat eine Dichte von 1 g / cm³. Die Eisdichte beträgt nur 0,92 g / cm³.

Eis schwimmt also auf dem Wasser, weil eine Allianz von Sauerstoff und Wasserstoff eine luftige Katakombe schafft, die so viel mehr Platz bietet, als sie in flüssigem Zustand hat.

Obwohl das Gitter insgesamt sechseckig ist, hat ein einzelner Ring keine sechsfache Symmetrie. Nehmen Sie einen der Ringe und drehen Sie ihn zur Hälfte um die Mitte. Der gedrehte Ring sieht nicht genau so aus, wie wir es uns vorgestellt haben.

Der Grund dafür sind zwei Wasserstoffatome im Ring, die aus der Ebene (auf Sie zu) weisen. Diese Wasserstoffe werden jedoch zufällig ausgewählt, so dass im größeren Bild alle diese lokalen Unterschiede ausgeglichen werden und das makrosopische Eis immer noch sechsfach symmetrisch ist.

Abb. 5: Der hexagonale Eisring ist wegen der beiden Wasserstoffatome, die aus der Ebene herausragen, nicht symmetrisch.

Exotische Eiswürfel und wo man sie findet

90% des auf der Erde gefundenen Eises ist diese Art von zellularem Eis, das Ice Ih genannt wird („ice one h“; h steht für hexagonal).

Der Rest sind exotische Sorten, die durch das Zerkleinern von Wasserstoffbrückenbindungen unter Druck und bei sehr kalten / sehr hohen Temperaturen entstehen.

Wassermoleküle unter -80 ° C können sich zu Würfeln anstelle von Sechsecken ausrichten. Kubisches Eis (Ice Ic) entsteht, wenn Wasserdampf bei sehr kalten Temperaturen kondensiert. Wir denken jetzt, dass Ice Ic nicht nur aus Würfeln besteht, sondern eine Mischung aus Würfeln und Sechsecken in einem bestimmten Verhältnis.

Ice X kommt einem rein kubischen Eis vielleicht am nächsten. Es bildet sich bei sehr hohen Drücken, die die Sauerstoffatome unangenehm nahe beieinander drücken. Molekulare Simulationen legen nahe, dass dieses Eis mit dem richtigen Dotierstoff supraleitend sein könnte [4].

Sowohl Ice II als auch Ice VII sind Hochdruckeis, die sich bei 0,3 GPa bzw. 3 GPa bilden (Atmosphärendruck beträgt 0,01 GPA).

Ice II ist vermutlich der Hauptbestandteil von Ganymed, eines Jupitermondes.

Eis VII kann in fast allen Riesenplaneten und ihren eisigen Monden gefunden werden. Wenn der Druck hoch bleibt, kann Ice VII bis zu 500 ° C stabil bleiben - was es zu einem bemerkenswerten Hochtemperatureis macht.

Bild 6: Kubisches Gitter aus Eis X [4]

Insgesamt gibt es über achtzehn bekannte Eisstrukturen, was es zu dem Material mit der größten Anzahl von Variationen (sogenannten Polymorphismen) macht, die dem Menschen bekannt sind.

Unter diesen ist Ice IX für seine fiktive Rolle in Kurt Vonneguts "Cat's Cradle" berüchtigt. In diesem Roman wurde vorgeschlagen, dass dieses Eis stabil ist und, sobald es sich gebildet hat, kristallines Eis bilden kann - jedes flüssige Wasser, mit dem es in Kontakt gekommen ist, was zu einer weltweiten Katastrophe führt.

Zum Glück wurde bisher kein solches Dämoneneis (Ice Id) entdeckt. Mittlerweile existiert es überall um uns herum, als Würfel, Tetragone und Sechsecke. Es ist nicht nur ein Würfel, der in meinem Getränk treibt. Es ist ein wahrer Gestaltwandler. Es ist undurchsichtig. Es ist transparent. Es ist kalt. Es ist heiß. Es ist Eis.

Verweise

  1. Ice Trade, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Ice_trade, abgerufen: 15. April 2019
  2. Wasser, Struktur und Eigenschaften, https://alevelbiology.co.uk/notes/water-structure-properties/, abgerufen am 16. April 2019
  3. Bioninja, http://www.vce.bioninja.com.au/aos-1-molecules-of-life/biomolecules/inorganic-molecules.html, abgerufen am 16. April 2019
  4. Chemistry of Ice, https://www.nbclearn.com/sinking-of-the-titanic/cuecard/55972, abgerufen am 17. April 2019
  5. Martin Chaplin, Ice X, Wasserstruktur und Wissenschaft, http://www1.lsbu.ac.uk/water/ice_x.html, abgerufen am 15. April 2019