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Gelo VII

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Gelo VII é uma forma cristalina cúbica de gelo. O gelo comum da água é conhecido como gelo Ih (na nomenclatura de Bridgman). Diferentes tipos de gelo, do gelo II ao gelo XVIII, têm sido criados em laboratório a diferentes temperaturas e pressões.

Características

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O gelo VII é metaestável em uma ampla faixa de temperaturas e pressões e se transforma em gelo amorfo de baixa densidade em temperaturas acima de 120 K.[1] O gelo VII tem um ponto triplo com a água líquida e o gelo VI a 355 K e 2,216 GPa, com a linha de fusão[necessário esclarecer] se estendendo até pelo menos 715 K e 10 GPa.[2]

O gelo VII pode ser formado a partir da redução da temperatura da água líquida a uma pressão acima acima de 3 GPa, a partir da descompactação do gelo VI de água pesada (D2O) abaixo de 95 K, a partir da compressão rápida via ondas de choque (o que leva nanossegundos) [3][4] e a partir do aumento da pressão no gelo VI à temperatura ambiente.[5]

Como a maioria das fases do gelo (incluindo o gelo Ih ), as posições dos átomos de hidrogênio são desordenadas.[6] Além disso, os átomos de oxigênio são desordenados em vários locais. [7][8][9] A estrutura do gelo VII compreende uma estrutura de ligação de hidrogênio na forma de duas sub-redes interpenetrantes (mas não ligadas).[7] As ligações de hidrogênio passam pelo centro dos hexâmeros da água e, portanto, não conectam as duas redes.

O gelo VII tem uma densidade de cerca de 1,65 g cm-3 (a 2,5 GPa e 298 K), [10] que é menor do que o dobro da densidade do gelo Ic, pois as distâncias entre redes de O–O são 8% mais longas (a 0,1 MPa) do que o possível para permitir a interpenetração. A célula unitária cúbica tem um comprimento lateral de 3,3501 Å (para D2O, a 2,6 GPa e 295 K) e contém duas moléculas de água.[8]

O gelo VII é a única fase desordenada do gelo que pode ser ordenada por um simples resfriamento, [5][a] e forma gelo VIII (ordenado) a temperaturas abaixo de 273 K até pressões de aproximadamente 8 GPa. Acima dessa pressão, a temperatura de transição entre o gelo VII e o gelo VIII cai rapidamente, atingindo 0 K a aproximadamente 60 GPa. [11] Assim, o gelo VII tem o maior campo de estabilidade de todas as fases moleculares do gelo. As sub-redes de oxigênio cúbico que formam a espinha dorsal da estrutura do gelo VII persistem a pressões de pelo menos 128 GPa; [12] essa pressão é substancialmente mais alta do que aquela em que a água perde completamente seu caráter molecular, formando gelo X. Em gelos de alta pressão, a difusão protônica (movimento de prótons ao redor da rede de oxigênio) domina a difusão molecular, um efeito que foi medido diretamente. [13]

Ocorrência natural

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Cientistas levantam a hipótese de que o gelo VII possa constituir o fundo do oceano de Europa, bem como planetas extra-solares (como Gliese 436 b e Gliese 1214 b), que são em grande parte feitos de água.[14][15]

Em 2018, o gelo VII foi identificado entre inclusões encontradas em diamantes naturais. Devido a essa demonstração de que o gelo VII existe na natureza, a Associação Internacional de Mineralogia classificou o gelo VII como um mineral distinto. [16] O gelo VII foi presumivelmente formado quando a água presa no interior dos diamantes reteve a alta pressão do manto profundo devido à força e rigidez das redes do diamante, mas resfriou-se às temperaturas da superfície, produzindo o ambiente necessário de alta pressão sem uma alta temperatura. [17]

Notas

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  1. ↑ O gelo Ih teoricamente se transforma no gelo XI com prótons ordenados em escalas de tempo geológicas, mas, na prática, é necessário adicionar pequenas quantidades do catalisador KOH.
  • Este artigo foi inicialmente traduzido, total ou parcialmente, do artigo da Wikipédia em inglês cujo título é «Ice VII», especificamente desta versão.

Referências

  1. ↑ S. Klotz, J. M. Besson, G. Hamel, R. J. Nelmes, J. S. Loveday and W. G. Marshall, Metastable ice VII at low temperature and ambient pressure, Nature 398 (1999) 681–684.
  2. ↑ «IAPWS, Release on the pressure along the melting and the sublimation curves of ordinary water substance, 1993» (PDF) 
  3. ↑ «Nanosecond freezing of water under multiple shock wave compression: Optical transmission and imaging measurements». J. Chem. Phys. 121: 9050–9057. 2004. Bibcode:2004JChPh.121.9050D. PMID 15527371. doi:10.1063/1.1805499 
  4. ↑ «Free energy models for ice VII and liquid water derived from pressure, entropy, and heat capacity relations». J. Chem. Phys. 147. 084505 páginas. 2017. Bibcode:2017JChPh.147h4505M. PMID 28863506. doi:10.1063/1.4989582 
  5. ↑ a b Johari, G. P.; Lavergne, A. & Whalley, E. (1974), «Dielectric properties of ice VII and VIII and the phase boundary between ice VI and VII», Journal of Chemical Physics, 61 (10), Bibcode:1974JChPh..61.4292J, doi:10.1063/1.1681733 
  6. ↑ Petrenko, V. F.; Whitworth, R. W. (2002), The Physics of Ice, New York: Oxford University Press .
  7. ↑ a b Kuhs, W. F.; Finney, J. L.; Vettier, C. & Bliss, D. V. (1984), «Structure and hydrogen ordering in ices VI, VII, and VIII by neutron powder diffraction», Journal of Chemical Physics, 81 (8): 3612–3623, Bibcode:1984JChPh..81.3612K, doi:10.1063/1.448109 .
  8. ↑ a b Jorgensen, J. D.; Worlton, T. G. (1985), «Disordered structure of D2O ice VII from in situ neutron powder diffraction», Journal of Chemical Physics, 83 (1): 329–333, Bibcode:1985JChPh..83..329J, doi:10.1063/1.449867 .
  9. ↑ Nelmes, R. J.; Loveday, J. S.; Marshall, W. G.; et al. (1998), «Multisite Disordered Structure of Ice VII to 20 GPa», Physical Review Letters, 81 (13): 2719–2722, Bibcode:1998PhRvL..81.2719N, doi:10.1103/PhysRevLett.81.2719 .
  10. ↑ D. Eisenberg and W. Kauzmann, The structure and properties of water (Oxford University Press, London, 1969); (b) The dodecahedral interstitial model is described in L. Pauling, The structure of water, In Hydrogen bonding, Ed. D. Hadzi and H. W. Thompson (Pergamon Press Ltd, London, 1959) pp 1–6.
  11. ↑ Pruzan, Ph.; Chervin, J. C. & Canny, B. (1993), «Stability domain of the ice VIII proton-ordered phase at very high pressure and low temperature», Journal of Chemical Physics, 99 (12): 9842–9846, Bibcode:1993JChPh..99.9842P, doi:10.1063/1.465467 .
  12. ↑ Hemley, R. J.; Jephcoat, A. P.; Mao, H. K.; et al. (1987), «Static compression of H2O-ice to 128 GPa (1.28 Mbar)», Nature, 330 (6150): 737–740, Bibcode:1987Natur.330..737H, doi:10.1038/330737a0 .
  13. ↑ Katoh. «Protonic Diffusion in High-Pressure Ice VII». Science. 29=5558: 1264–1266. Bibcode:2002Sci...295.1264K. PMID 11847334. doi:10.1126/science.1067746 
  14. ↑ University of Liège (2007, May 16). Astronomers Detect Shadow Of Water World In Front Of Nearby Star. ScienceDaily. Retrieved Jan. 3, 2010, from «Archived copy» 
  15. ↑ David A. Aguilar. «Astronomers Find Super-Earth Using Amateur, Off-the-Shelf Technology». Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics 
  16. ↑ Sid Perkins. «Pockets of water may lay deep below Earth's surface». Science 
  17. ↑ «What scientists found trapped in a diamond: a type of ice not known on Earth». latimes.com 
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