Structura gheții și legăturile de hidrogen

Gheata este unul din cele mai cunoscute si interesante solide cunoscute. In compozitia sa intra unul din cele mai abundente lichide de pe Pamant, apa, si este o componenta esentiala in zapada, ploaie sau in grindina.

In viata de zi cu zi, in jurul nostru, intalnim gheata destul de usor in natura sau chiar o producem cu anumite scopuri, insa mai niciodata nu ne-am gandit ce este cu adevarat gheata, ce structura are sau care sunt proprietatile acesteia.

Este cunoscut faptul ca studiul structurii ghetii a inflorit dupa cel de-al Doilea Razboi Mondial cand, G. Pyke propus ca un iceberg sa fie folosit drept portavion in Oceanul Atlantic. Cand a devenit evident ca iceberg-urile naturale sunt prea mici sa fie folosite cu acest scop, sustinatorii au lansat un plan de a construi un ghetar gigant. Ei au descoperit ca proprietatile mecanice ale ghetii nu au crescut cu sarcina, rezistenta la rupere a fost prea mica, si capacitatea de a rezista impactului balistic și exploziilor a fost inacceptabila. In februarie 1943, s-a descoperit ca lemnul sub forma de pasta ar putea rezolva aceasta problema; de exemplu, adaugarea a patru procente molid canadian, creste de peste doua ori forta si in functie de raportul greutate-greutate, rezistenta la soc creste pana la o valoare apropiata de rezistenta la soc a betonului, insa chiar si cu aceasta descoperire, constructia unui portavion din gheata nu a avut loc niciodata. De atunci, s-a inceput studierea formarii si cresterii ghetii, atat din vapori cat si din starea lichida a apei, acest fenomen plasandu-se in contextul termodinamicii clasice si cinetice.

Structura ghetii si formarea sa naturala au fost examinate si puse pe baza istoriei termodinamice a materialului din care gheata se formeaza. Proprietatile electrice au fost studiate si explicate in numarul densitatii si mobilitatii purtatorilor de sarcina protonici. Comportamentul optic si termic a fost si el studiat, insa cel mai studiat a fost comportamentul mecanic, de la fluxul si ruptura unui singur cristal si pana la debitul si fracturarea a bucatilor imense de gheata din Oceanul Arctic. Intr-adevar, in ultimii 10 ani, au aparut mai mult de 10 000 de lucrari si studii asupra ghetii, in literatura de specialitate, stiintifica si de inginerie.

De ce un interes atat de ridicat in privinta ghetii? Gheata, se pare, este un factor in activitati diverse precum ski, patinaj, producerea ploii, in transportul maritim polar si in exploatarea petrolului din oceanul rece. Aceasta este un element de degradare al betonului rece si al altor materiale poroase, se poate forma sub un strat subtire pe avioane sau pe liniile de transport electrice la temperaturi foarte scazute si este de asemenea, un factor in climatul global, probabil datorita faptului ca gheata acopera aproximativ 10% din terenul Antarcticii si al Groenlandei si tot 10% acopera oceanele Pamantului, sezonier sau tot timpul anului. In plus, intre straurile de gheata sunt cuprinse bule de aer ce reprezinta depozite de inregistrare paleoclimatica. Gheata este o componenta esentiala si in satelitii planetei Jupiter si a altor corpuri extraterestre.

In timp ce Martin Chaplin prezinta in lucrarile sale toate structurile pe care gheata le poate avea, profesorul Erland M. Schulson, pune accent in cercetarile sale, in care consulta referinte precum: P.V. Hobbs-” Ice Physics”, V.F. Petrenko si R.W. Whitworth-“ Physics of Ice”, W.F. Weeks- “Physics of Ice-Covered Seas” sau B. Michel-“ Ice Mechanics”, pe comportamentul mecanic al ghetii.

2.Definitie si caracteristici

Gheata este faza solida, de obicei cristalina, a unei substante nemetalice cum ar fi apa, dioxidul de carbon, amoniacul sau metanul, care se gaseste in forma lichida sau gazoasa la temperatura camerei

Totusi de obicei cuvantul gheata se refera la gheata formata din apa sub forma uneia din cele 15 forme cristaline cunoscute a apei. Intr-un context nestiintific termenul de gheata inseamna gheata Ih care este cea mai abundenta din cele 15 forme cristaline ale apei. Gheata Ih se formeaza prin schimbarea starii de agregare a apei cand este racita sub 0 °C (273.15 K, 32 °F) la presiunea atmosferica standard (760 mm coloană de mercur) si are o structura cristalina hexagonala. Toata gheata din biosfera este de acest tip si prezinta cateva particularitati care sunt importante pentru existenta vietii si a regularizarii climatului global. Supusa unor presiuni mai mari si temperaturilor diverse, gheata poate forma si alte structuri cristaline. Gheata se poate forma de asemenea din vapori de apa direct fara a mai trece prin starea lichida (de exemplu, formarea promoroacei). Punctul de topire al ghetii serveste drept standard termometric ( 0 °C sau +32 °F).

Ca proprietati fizice ale ghetii la temperatura de 0 °C, putem mentiona:

- densitatea de cca. 900 kg/m³;

-caldura specifica de aprox. 2,1 kJ/kg- °;

-caldura latenta de topire de cca. 335 kJ/kg;

-coeficientul conductibilitatii termice de 2,326 W/m- °;

-densitatea apei lichide: circa 1.000 kg/m³

-caldura specifica a apei lichide: aprox. 4,19 kJ/kg- °;

-caldura latenta de vaporizare a apei: aprox. 2257 kJ/kg;

-caldura specifica a vaporilor de apa: aprox. 1,87 kJ/kg- °.

Ca un corp cristalin solid, gheata este considerata un mineral compus din oxigen si hidrogen. O proprietate neobisnuita a ghetii formate la o presiune atmosferica standard este aceea ca este cu 9% mai putin densa decat apa lichida. Apa este singura substanta non-metalica