74.963 Tipi di Ghiaccio

Il ghiaccio non è così semplice come sembra, con almeno 20 forme conosciute e potenzialmente migliaia di altre. Il tipo più familiare è il ghiaccio Ih, che ha una struttura molecolare esagonale ed è presente nella biosfera. Altre forme di ghiaccio, come il ghiaccio III, V, VI e VII, possono essere trovate in condizioni estreme su lune ghiacciate nel nostro sistema solare, o addirittura intrappolate nei diamanti nel profondo della crosta terrestre. Il ghiaccio può essere disordinato o ordinato in base all'orientamento delle molecole d'acqua all'interno del cristallo di ghiaccio. Con il continuo scoprire di nuove forme di ghiaccio, come il ghiaccio XIX e il ghiaccio XX, la nostra comprensione del ghiaccio e delle sue varie strutture sta evolvendo continuamente.

Il ghiaccio è una sostanza complessa con almeno 20 forme conosciute e migliaia di altre possibili. Trovato in vari ambienti, dalle lune ghiacciate alla crosta terrestre, il ghiaccio può essere disordinato o ordinato. Con il continuo scoprire di nuove forme, come il ghiaccio XIX e il ghiaccio XX, la nostra comprensione del ghiaccio continua a crescere.

Ci sono circa 20 o addirittura 74.963 forme di ghiaccio, perché l'acqua può fare molte cose strane quando si congela. Finora, gli scienziati hanno determinato sperimentalmente le strutture cristalline per 19 tipi di ghiaccio. O forse 20, a seconda di chi si chiede. In questo video, passeremo attraverso il maggior numero possibile di questi in circa 10 minuti.

Trascrizione del video:

Voglio solo parlare del ghiaccio.

Le proprietà insolite dell'acqua, grazie ai nostri legami preferiti dell'idrogeno che fanno sì che il ghiaccio sia meno denso dell'acqua liquida, sono fondamentali per la vita sulla Terra.

Ma il ghiaccio stesso è abbastanza noioso.

Ha alcuni esagoni ordinati. La configurazione solida è meno densa della forma liquida, rende il nostro tè freddo e forma alcune belle fiocchi di neve, ma questo è tutto, giusto?

No, sbagliato. Il ghiaccio è affascinante.

Te lo dimostrerò.

Il ghiaccio è incredibile.

(musica vivace)

Stiamo parlando di ghiaccio.

Questa consegna è troppo strana o non abbastanza strana? Nessuno lo sa.

Non solo il ghiaccio è affascinante, ma tutte quelle cose che ho appena menzionato sono proprio qui.

E' ghiaccio Ih, ma ci sono anche tutti questi altri tipi di ghiaccio più altri che non possono essere rappresentati qui.

Non sappiamo nemmeno quanti tipi di ghiaccio ci siano. Finora ne abbiamo trovati circa 20, ma potrebbero essercene fino a 74.963.

Quindi è da qualche parte tra 20 e 74.963.

Ogni tipo ha la sua struttura e proprietà e alcuni di essi sono trovati nei diamanti o sulle lune galileiane. E parleremo di tutti loro. O come i 20 ish che conosciamo, intendo non tutti, 74.963.

Cominciamo con il ghiaccio che tutti conosciamo abbastanza bene, il ghiaccio I.

Se prendi acqua liquida a pressioni atmosferiche normali e la raffreddi a zero gradi Celsius, si allinea in cristalli esagonali in strutture.

Il ghiaccio in realtà è considerato un minerale perché è un solido naturale con una struttura ordinata.

Quasi tutto il ghiaccio nella biosfera, che è la parte della Terra dove c'è tutta la vita, è questo tipo di ghiaccio esagonale uno, anche chiamato ghiaccio Ih.

Quella struttura molecolare esagonale è ciò che aiuta a seminare la struttura esagonale dei fiocchi di neve. Ma c'è anche un po' di ghiaccio cubico I o ghiaccio IC che, come suggerisce il nome, ha una struttura cubica.

E questo esiste a temperature tra 130 e 220 Kelvin e potrebbe effettivamente verificarsi molto in alto nella nostra atmosfera.

C'è probabilmente anche un po' di ghiaccio uno disordinato di impilamento lassù, che è come un ghiaccio metastabile che esiste da qualche parte tra il ghiaccio cubico e quello esagonale. E questo aiuta anche a dare ai fiocchi di neve la loro simmetria a tre lati.

Ma cosa succede se sottoponi il ghiaccio a tutte le temperature e le pressioni per forzarlo in altre configurazioni?

Ecco a cosa serve questo diagramma. Questo è la chiave di tutto ciò di cui parleremo. Quindi diamo un'occhiata più da vicino.

Ci sono fasi di ghiaccio a temperature e pressioni diverse.

L'asse X è la pressione da bassa ad alta e l'asse Y è la temperatura.

Qui in arancione, abbiamo il ghiaccio Ih a temperature e pressioni ambientali abbastanza normali.

Ora puoi cambiare le fasi della maggior parte dei materiali cambiando la temperatura o la pressione in cui si trovano. E ne siamo familiari, giusto?

Quindi cambiare la temperatura dell'acqua può cambiarne la fase da solida a liquida o a gas. E cambiare la pressione può avere qualche effetto anche qui, ma con il ghiaccio, non si ferma solo sulla parte solida.

Immagina la struttura cristallina esagonale del ghiaccio Ih. Se lo sottoponi a temperature molto, molto più basse o pressioni molto, molto più alte, puoi deformare e cambiare quella struttura molecolare in tutte queste altre forme.

Quindi se andiamo in questa direzione sulla nostra tabella e guardiamo il ghiaccio a pressioni più alte. E dovrei menzionare che queste pressioni sono molto, molto alte. Stiamo guardando i mega e i gigapascal.

Un gigapascal è 1 miliardo di pascal.

La pressione delle gomme della tua bicicletta potrebbe essere attorno ai 500 pascal. Quindi questa è 2 milioni di volte maggiore rispetto a quella. È molta pressione.

E se applichiamo questa pressione, iniziamo a penetrare in cose come il ghiaccio III dove i legami idrogeno iniziano a piegarsi e comprimersi, e poi arriviamo al ghiaccio V, che ha anelli con più e meno molecole d'acqua rispetto al nostro ghiaccio esagonale.

E poi se continuiamo ad aggiungere pressione, arriviamo al ghiaccio VI e al ghiaccio VII.

Ora guarda, i numeri indicano solo l'ordine in cui sono stati scoperti, non nulla sulla loro effettiva struttura. Ma questa prima serie di ghiacci I, III, V, VI e VII si trovano probabilmente su lune ghiacciate nel nostro sistema solare. Luoghi come la luna di Giove, Ganymede.

Su queste lune, gli strati di ghiaccio potrebbero essere spessi fino a mille chilometri, causando enormi quantità di pressione sui livelli inferiori, formando queste altre fasi del ghiaccio.

Quando il ghiaccio viene compresso in questo modo per dare diverse fasi, viene chiamata transizione guidata dalla densità.

E sorprendentemente, può accadere anche qui sulla Terra. Il ghiaccio VI e VII sono stati trovati nelle inclusioni di diamante profonde nella crosta terrestre.

Quindi puoi estrarre un diamante e trovare dentro il ghiaccio VI e VII intrappolati.

A causa di questo, sono stati anche designati come minerali. Possono essere indicatori di acqua nel profondo del mantello terrestre ed è possibile che possano contribuire all'attrito tra le lastre terrestri che potrebbero portare a scosse di ghiaccio. Scosse di ghiaccio!

Ora, se ingrandiamo la struttura del ghiaccio VI, penso che questo sia veramente, veramente fantastico.

In realtà è composto da due subreticoli che si inseriscono l'uno nell'altro, ma non sono collegati. Non ci sono legami idrogeno tra i due, quindi si adagiano l'uno accanto all'altro. Non sono collegati, stanno solo insieme.

Ora, cosa succede se andiamo nell'altra direzione sul grafico e invertiamo la pressione in negativo, essenzialmente stirando il ghiaccio.

Bene, in realtà possiamo ottenere forme di ghiaccio meno dense del ghiaccio I, come il ghiaccio XVI e il ghiaccio XVII, queste sono idrati di clatrato vuoti.

I clatrati sono strutture a gabbia molecolare che spesso racchiudono un'altra molecola. Quindi questi sono fondamentalmente grandi strutture a gabbia vuote.

Di solito, questi vengono creati in laboratorio formando la struttura a gabbia intorno a un'altra molecola, come il neon e poi svuotando tutto quel composto di gabbia.

Ora, se portiamo nuovamente la pressione alla pressione ambiente, le strutture si collasseranno di solito al ghiaccio I a meno che non mantieni la temperatura molto, molto bassa.

Cos'è questo? È lo zero Kelvin, è molto basso.

Ora c'è qualcosa che non ho ancora menzionato su tutti i ghiacci di cui abbiamo parlato finora. Sono ghiacci disordinati per idrogeno.

Ciò significa che se ingrandiamo i legami tetraedrici che circondano una molecola d'acqua nel cristallo di ghiaccio, la molecola centrale d'acqua potrebbe essere orientata in qualsiasi direzione. E questo è confuso, quindi ho fatto un modello, aspetta un attimo.

(palline stridule)

Ciao, questo è il mio progetto artistico. E se torniamo indietro alla chimica generale o al nostro video sulle stranezze dell'acqua, stiamo effettivamente parlando di cambiare il dipolo idrogeno o la separazione e l'orientamento delle cariche sulla molecola d'acqua.

Quindi ricorda, tutto ciò che ci interessa è l'orientamento di questa molecola d'acqua centrale. Se ingrandisci un cristallo di ghiaccio, potrebbe essere orientato in questo modo o se le molecole d'acqua intorno ad esso fossero in una determinata posizione, abbiamo comunque questi quattro legami, ma ora il dipolo è orientato in una direzione diversa.

Quindi prima andava in questa direzione e ora va in questa direzione, ma ci sono alcune fasi di ghiaccio che sono ghiacci ordinati per idrogeno. Ciò significa che ci sono configurazioni preferite per il dipolo idrogeno invece di solo casuali.

E spesso i ghiacci disordinati e ordinati possono essere trovati in coppie. Quindi se raffreddi molti dei ghiacci di cui abbiamo parlato, puoi attraversare una transizione guidata dall'entropia dove, di nuovo, spostandoti giù in questa figura, riducendo la temperatura, puoi trovare che i loro corrispondenti sono ordinati.

Ad esempio, ICE XV è una forma ordinata di ghiaccio VI qui, uno è sotto l'altro.

Ci sono sei coppie che conosciamo ora. Per ciascuna di queste coppie, stai riducendo la temperatura e quindi stai riducendo l'entropia, quindi stai ottenendo più ordine.

Adoro quando cose del genere hanno senso, lo ha fatto nel mio cervello quando l'ho letto.

Uno degli ultimi aggiornamenti alla serie è il ghiaccio XIX. Il ghiaccio XIX è stato descritto per la prima volta come una forma ordinata di ghiaccio VI che una volta veniva chiamato beta XV. Quindi va proprio qui.

Ma nuovi lavori hanno dimostrato che potrebbe essere meglio descritto come una versione distorta di ghiaccio VI e potrebbe formarsi semplicemente a una pressione più elevata. Quindi potrebbe andare un po' più verso qui.

C'è una controversia sul ghiaccio intorno a dove alcune di queste linee di confine stiano. E amo che la controversia significa che la scienza sta accadendo.

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.