Es Ih

{{DISPLAYTITLE:Es Ih}}

Es Ih (kristal es heksagonal) (dilafalkan: es satu h, juga dikenal sebagai es fase satu) adalah bentuk kristal heksagonal dari es biasa, atau air beku. Hampir semua es di biosfer adalah es Ih, kecuali sejumlah kecil es Ic yang kadang dapat ditemui di atmosfer bagian atas. Es Ih menunjukkan banyak sifat khas yang relevan dengan keberadaan kehidupan dan pengaturan iklim global. Untuk penjelasan tentang sifat-sifat ini, lihat Es, yang berkaitan terutama dengan es Ih.

Struktur kristal es ini dicirikan oleh atom oksigen yang membentuk simetri heksagonal dengan sudut ikatan tetrahedral yang dekat. Es Ih stabil hingga suhu , sebagaimana dibuktikan oleh difraksi sinar-X dan pengukuran ekspansi termal beresolusi sangat tinggi. Es Ih juga stabil di bawah tekanan yang diterapkan hingga sekitar  di mana ia bertransisi menjadi es III atau es  II.

Sifat fisik
Massa jenis es Ih adalah 0,917 g/cm3 yang lebih kecil dari massa jenis air cair. Hal ini disebabkan adanya ikatan hidrogen yang menyebabkan atom menjadi lebih dekat dalam fase cair. Karena itu, es Ih mengapung di atas air, yang sangat tidak biasa jika dibandingkan dengan bahan lainnya. Fase padat bahan ini biasanya dikemas lebih rapat dan rapi serta memiliki massa jenis yang lebih tinggi daripada fase cair. Saat danau membeku, mereka hanya membeku di permukaan sedangkan dasar danau tetap mendekati  karena air paling padat pada suhu ini. Sedingin apa pun permukaannya, selalu ada lapisan di dasar danau yang bersuhu . Perilaku anomali air dan es inilah yang memungkinkan ikan bertahan hidup di musim dingin yang keras. Massa jenis es Ih meningkat saat didinginkan, hingga suhu sekitar ; di bawah suhu tersebut, es mengembang lagi (ekspansi termal negatif).

Panas peleburan latennya adalah , dan panas sublimasi latennya adalah . Panas sublimasi laten yang tinggi pada prinsipnya menunjukkan kekuatan ikatan hidrogen dalam kisi kristal. Panas peleburan latennya jauh lebih kecil, sebagian disebabkan karena air cair mendekati 0 °C juga mengandung banyak ikatan hidrogen. Indeks bias es Ih adalah 1,31.

Struktur kristal

Struktur kristal es biasa yang diterima pertama kali diusulkan oleh Linus Pauling pada tahun 1935. Struktur es Ih kira-kira merupakan salah satu bidang berkerut yang terdiri dari cincin heksagonal meneselasi, dengan atom oksigen pada setiap titik, dan tepi cincin dibentuk oleh ikatan hidrogen. Bidang itu bergantian dalam pola ABAB, dengan bidang B merupakan pantulan bidang A sepanjang sumbu yang sama dengan bidang itu sendiri. Jarak antara atom oksigen sepanjang setiap ikatan adalah sekitar 275 pm dan sama antara dua atom oksigen yang terikat dalam kisi. Sudut antar ikatan dalam kisi kristal sangat dekat dengan sudut tetrahedral 109,5°, yang juga cukup dekat dengan sudut antara atom hidrogen dalam molekul air (dalam fase gas), yaitu 105°. Sudut ikatan tetrahedral molekul air ini pada dasarnya bertanggung jawab atas massa jenis kisi kristal yang luar biasa rendah – hal ini bermanfaat bagi kisi untuk disusun dengan sudut tetrahedral meskipun ada penalti energi dalam peningkatan volume kisi kristal. Akibatnya, cincin heksagonal besar menyisakan ruang yang hampir cukup untuk molekul air lain di dalamnya. Hal ini memberikan es yang terjadi secara alami sifatnya yang langka, yaitu menjadi kurang padat daripada bentuk cairnya. Cincin heksagonal berikatan hidrogen bersudut tetrahedral juga merupakan mekanisme yang menyebabkan air cair menjadi terpadat pada suhu 4 °C. Mendekati 0 °C, kisi-kisi kecil berbentuk seperti es Ih berbentuk heksagonal dalam air cair, dengan frekuensi yang lebih besar mendekati 0 °C. Efek ini menurunkan massa jenis air, menyebabkannya menjadi terpadat pada suhu 4 °C ketika strukturnya jarang terbentuk.

Gangguan hidrogen

Atom hidrogen dalam kisi kristal terletak sangat dekat di sepanjang ikatan hidrogen, dan sedemikian rupa sehingga setiap molekul air diawetkan. Ini berarti bahwa setiap atom oksigen dalam kisi memiliki dua hidrogen yang berdekatan, pada sekitar 101 pm sepanjang 275 pm panjang ikatan. Kisi kristal memungkinkan sejumlah besar gangguan pada posisi atom hidrogen yang membeku ke dalam struktur saat mendingin hingga nol mutlak. Akibatnya, struktur kristal mengandung beberapa entropi sisa yang melekat pada kisi dan ditentukan oleh jumlah kemungkinan konfigurasi posisi hidrogen yang dapat dibentuk sambil tetap mempertahankan persyaratan untuk setiap atom oksigen hanya memiliki dua hidrogen dalam jarak terdekat, dan masing-masing ikatan-H yang menggabungkan dua atom oksigen yang hanya memiliki satu atom hidrogen. Entropi sisa S0 ini sama dengan 3,5 J mol−1 K−1.

Ada berbagai cara untuk memperkirakan angka ini dari prinsip pertama. Misalkan ada sejumlah N molekul air. Atom oksigen membentuk kisi bipartit: mereka dapat dibagi menjadi dua set, dengan semua tetangga atom oksigen dari satu set terletak pada set lainnya. Fokuskan perhatian pada atom oksigen dalam satu set: jumlahnya N/2. Masing-masing memiliki empat ikatan hidrogen, dengan dua hidrogen dekat dengannya dan dua jauh darinya. Ini berarti ada

konfigurasi hidrogen yang diperbolehkan untuk atom oksigen ini. Jadi, terdapat 6N/2 konfigurasi yang memenuhi atom N/2 ini. Tapi sekarang, pertimbangkan atom oksigen N/2 yang tersisa: secara umum mereka tidak akan puas (yaitu, mereka tidak akan memiliki tepat dua atom hidrogen di dekat mereka). Untuk masing-masing dari mereka, terdapat

kemungkinan penempatan atom hidrogen di sepanjang ikatan hidrogennya, enam di antaranya diperbolehkan. Jadi, secara naif, kita memperkirakan jumlah total konfigurasi menjadi

Dengan menggunakan prinsip Boltzmann, kita dapat menyimpulkan bahwa

dengan  adalah konstanta Boltzmann, yang menghasilkan nilai 3,37 J mol−1 K−1, nilai yang sangat dekat dengan nilai terukur. Perkiraan ini 'naif', karena mengasumsikan enam dari 16 konfigurasi hidrogen untuk atom oksigen pada set kedua dapat dipilih secara independen, padahal itu salah. Metode yang lebih kompleks dapat digunakan untuk memperkirakan dengan lebih baik jumlah kemungkinan konfigurasi yang tepat, dan mencapai hasil yang mendekati nilai terukur.

Sebaliknya, struktur es II berorde hidrogen, yang membantu menjelaskan perubahan entropi sebesar 3,22 J/mol ketika struktur kristal berubah menjadi es I. Juga, es XI, bentuk es ortorombik berorde hidrogen, Ih, dianggap sebagai bentuk paling stabil pada suhu rendah.

Lihat pula
 Es, untuk bentuk es kristal lainnya

Referensi

Bacaan lebih lanjut
 
 
 

Es air