74.963 Arten von Eis [Video]

Eis ist nicht so einfach, wie es scheint, mit mindestens 20 bekannten Formen und potenziell Tausenden mehr. Die bekannteste Art ist Eis Ih, das eine hexagonale Molekularstruktur aufweist und in der Biosphäre zu finden ist. Andere Formen von Eis, wie Eis III, V, VI und VII, können unter extremen Bedingungen auf eisigen Monden in unserem Sonnensystem oder sogar in Diamanten tief in der Erdkruste gefunden werden. Eis kann wasserstoff-unbestellt oder wasserstoff-bestellt sein, je nach Ausrichtung der Wassermoleküle innerhalb des Eis-Kristalls. Mit der Entdeckung weiterer Eisarten wie Eis XIX und Eis XX entwickelt sich unser Verständnis von Eis und seinen verschiedenen Strukturen ständig weiter.

Eis ist eine komplexe Substanz mit mindestens 20 bekannten Formen und möglicherweise Tausenden mehr. Es kann in verschiedenen Umgebungen vorkommen, von eisigen Monden bis zur Erdkruste, und kann wasserstoff-unbestellt oder wasserstoff-bestellt sein. Mit der Entdeckung neuer Formen wie Eis XIX und Eis XX wächst unser Verständnis von Eis ständig.

Es gibt irgendwo zwischen 20 und 74.963 Formen von Eis, weil Wasser alles Mögliche anstellt, wenn es gefriert. Bisher haben Wissenschaftler die Kristallstrukturen für 19 Arten von Eis experimentell bestimmt. Oder vielleicht 20, je nachdem, wen man fragt. In diesem Video werden wir uns in etwa 10 Minuten so viele Eisarten wie möglich durchgehen.

Video-Transkript:

Ich möchte nur über Eis sprechen.

Die seltsamen Eigenschaften von Wasser, dank unserer Lieblings-Wasserstoffbindungen, die dazu führen, dass Eis weniger dicht ist als flüssiges Wasser, sind entscheidend für das Leben auf der Erde.

Aber Eis selbst ist ziemlich langweilig.

Es hat einige geordnete Hexagone. Die feste Konfiguration ist weniger dicht als die flüssige Form, macht unseren Eistee schön kalt und es bildet einige hübsche Schneeflocken, aber das war's dann auch, oder?

Nein, falsch. Eis ist faszinierend.

Ich werde es Ihnen beweisen.

Eis ist erstaunlich.

(upbeat music)

Wir sprechen über Eis.

Ist diese Lieferung zu seltsam oder nicht seltsam genug? Niemand weiß es.

Nicht nur Eis ist faszinierend, sondern all das, was ich gerade erwähnt habe, ist hier.

Es ist Eis I, aber es gibt auch all diese anderen Arten von Eis plus mehr, die hier nicht einmal dargestellt werden können.

Wir wissen nicht einmal, wie viele Arten von Eis es gibt. Bisher haben wir etwa 20 entdeckt, aber es könnten bis zu 74.963 sein.

Also liegt es irgendwo zwischen 20 und 74.963.

Jede Art hat ihre eigene Struktur und Eigenschaften und einige von ihnen sind in Diamanten oder auf galileischen Monden zu finden. Und wir werden über alle sprechen. Oder über die 20-ish, die wir kennen, ich meine nicht alle 74.963.

Lassen Sie uns mit dem Eis beginnen, mit dem wir alle ziemlich vertraut sind, Eis I.

Wenn Sie flüssiges Wasser bei normalen atmosphärischen Drücken nehmen und es auf null Grad Celsius abkühlen, wird es sich in hexagonale Kristallstrukturen ausrichten.

Eis wird tatsächlich als Mineral betrachtet, weil es ein natürlich vorkommender Feststoff mit einer geordneten Struktur ist.

Fast alle Eisarten in der Biosphäre, d.h. dem Teil der Erde, in dem alles Lebendige ist, sind diese Art von hexagonalem Eis I, auch Eis Ih genannt.

Diese hexagonale Molekularstruktur hilft beim Keimen der hexagonalen Struktur von Schneeflocken. Aber es gibt auch ein bisschen kubisches Eis I oder Eis IC, das wie der Name schon sagt, eine kubische Struktur aufweist.

Und dieses existiert bei Temperaturen zwischen 130 und 220 Kelvin und könnte tatsächlich hoch oben in unserer Atmosphäre auftreten.

Da ist wahrscheinlich auch ein wenig stapelunbestelltes Eis I da oben, das wie ein metastabiles Eis ist, das irgendwo zwischen kubischem und hexagonalem Eis existiert. Und das trägt auch zur dreifachen Symmetrie von Schneeflocken bei.

Aber was passiert, wenn Sie Eis allen Arten von Temperaturen und Drücken aussetzen, um es in andere Konfigurationen zu zwingen?

Darum geht es bei diesem Diagramm. Das ist alles, worum es geht. Also lassen Sie uns einen genaueren Blick darauf werfen.

Was wir hier haben, sind Phasen von Eis bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken.

Die X-Achse ist Druck von niedrig bis hoch und die Y-Achse ist Temperatur.

Hier in Orange haben wir Eis Ih bei ziemlich normalen Umgebungstemperaturen und -drücken.

Jetzt kann man die Phasen der meisten Materialien verändern, indem man Temperatur oder Druck ändert, unter dem sie stehen. Und wir kennen das super gut, oder?

Es reicht also aus, die Temperatur von Wasser zu verändern, um zu einem festen, flüssigen oder gasförmigen Zustand zu gelangen. Und auch der Druck kann eine Wirkung haben, aber bei Eis hört es nicht nur beim Festen auf.

Stellen Sie sich die hexagonale Kristallstruktur von Eis I vor. Wenn Sie diese viel, viel kälteren Temperaturen oder viel, viel höheren Drücken aussetzen, können Sie diese molekulare Struktur verformen und in all diese anderen Formen verändern.

Was passiert, wenn wir auf unserem Chart in Richtung höherer Drücke schauen? Und ich sollte erwähnen, dass diese Drücke wirklich sehr, sehr hoch sind. Wir betrachten Mega- und Gigapascal.

Ein Gigapascal sind 1 Milliarde Pascal.

Ihr Fahrradreifen könnte etwa 500 Pascal Druck haben. Das ist 2 Millionen Mal mehr Druck als das. Es ist viel Druck.

Und wenn wir diesen Druck anwenden, bewegen wir uns in Dinge wie Eis III, wo die Wasserstoffbindungen anfangen, sich zu biegen und zu komprimieren, und dann kommen wir zu Eis V, das Ringe mit mehr und weniger Wassermolekülen als unser hexagonales Eis hat.

Und dann, wenn wir weiter Druck hinzufügen, gelangen wir zu Eis VI und zu Eis VII.

Nun gut, die Zahlen geben nur die Reihenfolge an, in der sie entdeckt wurden, nicht aber irgendetwas über ihre tatsächliche Struktur. Aber diese erste Gruppe von Eis I, III, V, VI und VII finden sich wahrscheinlich auf eisigen Monden in unserem Sonnensystem. Orte wie Jupiters Mond Ganymed.

Auf diesen Monden können die Eisschichten bis zu eintausend Kilometer dick sein und enorme Mengen an Druck auf die unteren Schichten ausüben, wodurch sich diese anderen Phasen von Eis bilden.

Wenn Eis auf diese Weise verdichtet wird, um verschiedene Phasen zu erzeugen, nennt man das einen Dichte-übergestaltung.

Und erstaunlicherweise kann das auch hier auf der Erde geschehen. Eis VI und VII wurden in Diamant-Einschlüssen tief im Erdmantel gefunden.

Sie können also einen Diamanten ausgraben und darin gefangenes Eis VI und VII finden.

Aus diesem Grund wurden sie auch als Mineralien bezeichnet. Sie können Indikatoren für Wasser tief im Erdmantel sein und es ist möglich, dass sie zur Reibung zwischen Erdplatten beitragen können, die zu Eisbeben führen könnten. Eisbeben!

Wenn wir uns jetzt auf die Struktur von Eis VI konzentrieren, finde ich diese wirklich, wirklich cool.

Es besteht tatsächlich aus zwei Subgittern, die ineinander passen, aber nicht verbunden sind. Es gibt keine Wasserstoffbindungen zwischen den beiden, also sitzen sie einfach zusammen. Sie sind nicht verbunden, sie hängen nur rum.

Was passiert, wenn wir auf der Grafik den Druck umkehren und im Wesentlichen Eis dehnen?

Nun, was wir tatsächlich bekommen können, sind Formen von Eis, die weniger dicht als Eis I sind, wie etwa Eis XVI und XVII, dies sind leere Käfighydreate.

Käfighydreate sind molekulare Käfigstrukturen, die oft ein anderes Molekül einschließen. Das sind also im Grunde genommen große leere Käfigstrukturen.

Typischerweise werden diese im Labor hergestellt, indem die Käfigstruktur um ein anderes Molekül geformt wird, wie zum Beispiel Neon, und dann werden alle diese Käfigmoleküle evakuiert.

Wenn der Druck jedoch wieder auf Umgebungsdruck zurückfällt, neigen die Strukturen normalerweise dazu, wieder zu Eis I zusammenzubrechen, es sei denn, Sie halten die Temperatur wirklich, wirklich niedrig.

Was ist das? Null Kelvin, es ist wirklich niedrig.

Jetzt gibt es etwas, das ich noch nicht über alle Eisarten, über die wir bisher gesprochen haben, erwähnt habe. Es handelt sich um wasserstoffungeordnete Eisarten.

Das bedeutet, dass wenn wir uns auf die tetraedrischen Bindungen konzentrieren, die ein Wassermolekül im Eis ausmachen, das Zentralmolekül in jeder beliebigen Richtung orientiert sein kann. Und das ist verwirrend, also habe ich ein Modell gemacht, haltet euch fest.

(Bälle quietschen)

Hallo, dies ist mein Kunstprojekt. Und wenn wir uns an Gen Chem oder unser Video über Wasser-Unsinn zurückerinnern, geht es hier tatsächlich darum, das Wasserstoffdipol oder die Trennung und Ausrichtung der Ladungen auf dem Wasserstoffmolekül zu verändern.

Also denkt daran, alles, worauf es ankommt, ist die Ausrichtung dieses Zentralwassermoleküls. Wenn Sie also in ein Eis-Kristall hineinzoomen, kann es so orientiert sein oder wenn die Wassermoleküle um es herum in einer anderen Position wären, hätten wir immer noch diese vier Bindungen, aber jetzt zeigt der Dipol in eine andere Richtung.

Also zeigte er zuvor hierhin und jetzt zeigt er hierhin, aber es gibt einige Phasen von Eis, die wasserstoffgeordnet sind. Das bedeutet, dass es bevorzugte Konfigurationen für den Wasserstoffdipol gibt, anstatt nur zufällige.

Oft finden sich ungeordnete und geordnete Eisarten paarweise. Wenn Sie also viele der von uns besprochenen Eissorten abkühlen, können Sie durch eine Entropie-getriebene Überführung gehen, bei der Sie durch Absenken der Temperatur feststellen können, dass ihre geordneten Anteile übereinstimmen.

Zum Beispiel ist Eis XV eine geordnete Form von Eis VI, direkt darunter. Es gibt sechs Paare, die wir derzeit kennen. Für jedes dieser Paare senken Sie die Temperatur und senken damit die Entropie, damit Sie mehr Ordnung erhalten.

Ich liebe es, wenn Dinge so Sinn ergeben, wie es in meinem Gehirn der Fall war, als ich es gelesen habe.

Eine der neuesten Ergänzungen im Programm ist Eis XIX. Eis XIX wurde erstmals als geordnete Form von Eis VI beschrieben, die früher als Eis Beta XV bezeichnet wurde. Also hier rechts.

Aber neuere Arbeiten haben gezeigt, dass es besser als verzerrte Version von Eis VI beschrieben werden könnte und es möglicherweise nur bei höherem Druck entsteht. Es geht also vielleicht ein wenig näher dahin.

Leider gibt es um die Position einiger dieser Grenzen Eis-Kontroversen. Und ich liebe es, dass Kontroversen bedeuten, dass Wissenschaft passiert.

But you can even look for structures that don’t fit on this graph.

We are talking about some really weird conditions.

So for example, if you take ice VII and you compress it to 50 to 300 gigapascals, you can get to ice X.

And ice X is strange because the water molecules aren’t even water molecules anymore because the hydrogen bonds become symmetrical between the oxygen that you cannot assign a hydrogen to a single oxygen anymore.

(Alex inhales deeply)

And if you heat it to over 2,500 Kelvin, it doesn’t melt. Instead it turns into ice XVIII, which undergoes super ionicity where the oxygen stay in a lot of structure and the hydrogens just kind of move around them.

Now this hydrogen mobility means that ice XVIII may be as conductive as some metals and it is possible that ice XVIII is hanging out in the center of really dense and hot planets like Uranus and Neptune.

And there’s also another super ionic form of ice described in October 2021 that is angling for the title of ice XX.

And look, we’ve been looking at most of these as like ball and stick models so far, but we can also look at them as 3D structures like this.

Here you can see that ice Ih and ice II both have what’s called these open channel structures. That’s really obvious there.

While in ice XVI, you can much better see those expanded clathrate cages that I talked about before.

Here, it is easier to see how pressure can really deform the structures to create things like ice V and VI and VII. They are clearly much more dense than ice I.

Additionally, this diagram only shows these stable forms of ice while there are also metastable phases like ice IV and ice XII.

Disordered forms of ice that only exist in small intermediate conditions, which is why they just don’t have a stable position here on our graph.

But there’s also amorphous ice.

Amorphous ice doesn’t have a long range order to its structure often because it has been cooled so quickly that there just wasn’t time for a lot of structure to form.

There’s no nice order like any of these that goes on forever. It’s just like water molecules randomly arranged kind of like liquid water, which is why it’s called amorphous ice.

It’s actually the dominant form of water in the universe, as far as we know. No one’s out here measuring every single chunk of ice.

But amorphous ice occurs on things like interstellar dust and in places like Saturn’s rings.

There is a lot of it out there.

So much in fact that it might just deserve a video of its own.

Let us know.

Do you wanna know about amorphous ice? I do.

So is that it? Do we just stop at 20-ish phases of ice and call it a day?

Absolutely not.

In fact, a recent computational study found the potential structures for 74,963 types of ice.

So no, science is not done with ice structures, but to name a structure to add to that Roman numeral list, you have to experimentally show the crystal structure.

And so for now, we’re still waiting on ice XXI.

But here, I think, our scientists disagree, so I’m also gonna do a take with ice XX.

And so for now, we’re still waiting on ice XX.