ÁGUA CONFINADA

Águas confinadas são encontradas na natureza em ampla material granular e porosa e ao redor e dentro de macromoléculasestruturas supramoleculares e géis . Ele foi recentemente reexaminada [ 1592]. Quando a água está confinada há conflito entre a minimização energética da rede de hidrogênio-ligado , as interações com a superfície da cavidade relativamente grande e caber dentro do espaço disponível. 

As propriedades físicas e estadual da água contida pode variar muito, dependendo das características moleculares da superfície da cavidade e as dimensões confinamento, bem como temperatura e pressão. As propriedades da água confinada são difíceis de prever e podem ser muito diferentes das de água a granel. Isto é particularmente verdadeiro quando o confinamento é em escala nanométrica.

Confinamento hidrofóbica

Água a hidrofóbicas superfícies é semelhante ao que na interface gás líquido , mas confinamento impede o movimento das moléculas de água para a superfície e interações de van der Waals vagamente mantêm as moléculas exterior em posições preferenciais e orientações em relação aos átomos de superfície.

 

 

Muito trabalho teórico e experimental tem preocupado água em nanotubos de carbono; composta de uma estrutura hexagonal de átomos de carbono enroladas em cilindros com diâmetros de um nanômetro ou assim. Tais estruturas são muitas vezes consideradas como cilindros hidrofóbica, mas que pode subestimar a importância da superfície. Os átomos de carbono fornecem um número elevado de interações de van der Waals em um arranjo hexagonal lattice ordenada que varia entre os diferentes tipos de nanotubos e com os seus diâmetros. 

Embora sem carga, essas superfícies fornecem extensa pi-elétron orbitais que podem interagir e ser polarizada pelas moléculas de água para causar efeitos significativamente diferente do esperado de um cilindro hidrofóbico plana e uniforme.

 

Oposto é mostrado uma fita unidimensional de moléculas de água dentro de uma (6, 6) de nanotubos de carbono, diâmetro de 0,81 nm. A água auto-alinha para dar um arranjo em ziguezague quase all-trans possuindo entropia semelhante ao encontrado na água a granel [ 1397]. Cada molécula de água tem dois vínculos cooperativos de hidrogênio para além de múltiplas interações de van der Waals do nanotubo de carbono. 

Tais correntes de água organizadas são determinados pelo confinamento em vez de interação com a superfície dos poros [ 1398] E torná-condutores de prótons rápida devido ao efeito Grotthuss [1041].

 

Em estudos de modelagem, a penetração da água em nanotubos é modulada por pequenas mudanças na polaridade da parede e as dimensões da cavidade [ 1396].

 

Um diagrama de fases da água dentro de nanotubos de carbono tem sido proposto para diâmetros de tubos até 1,7 nm. Isto sugere que pode haver pelo menos nove fases possíveis dentro do espaço cilíndrico, incluindo aqueles encontrados por difração de raios-x e por simulação. O ponto de congelamento máximo global é encontrado para ser para "quadrado" de gelo de 290 K [ 1400].

 

Opposite.is mostrado como um nanotubo de gelo dentro de um quadrado formado; nanotubo de carbono (14 0) de diâmetro 1,11 nm. Cada molécula de água tem quatro vínculos cooperativos de hidrogênio, que são mais do que dobrado no gelo hexagonal. Eles também têm várias interações de van der Waals dos átomos de carbono.

Ices outras (por exemplo, pentagonal, hexagonal e heptagonal nanotubos de moléculas de água, todos com dois doador e receptor de duas pontes de hidrogênio) são formados dentro de nanotubos de carbono de diâmetros crescentes até 1,9 nm de diâmetro [ 1401]. Conversão entre esses sorvetes pode ser alcançada através do aumento da pressão; tal que o gelo quadrado converte ao gelo pentagonal em cerca de 200 MPa em cerca de 275 K [ 1402].

 Água simulado como confinada sob pressão entre placas planas, 0,85 nm de distância, formas de doze vezes simétricos quasicrystal composta principalmente de anéis de cinco membros em duas camadas molecular [ 1705].

 

Há evidências de que os prótons de água líquida confinada existem em um estado quântico romance quando significativas flutuações quânticas no comando ocorrem 
ao longo das ligações de hidrogênio [ 1699]. 

Confinamento hidrofílico

Na superfície hidrofílica, interações de ligação polar e hidrogênio com a superfície pode variar entre aqueles que são muito mais fracos do que laços de água de água de hidrogênio para aqueles que são muito mais fortes. A água condensa a partir da fase gasosa sobre o vidro para dar pelo menos quatro camadas de água absorvida [ 1403], Com a água ao lado da sílica altamente estruturada, dependendo da superfície e distinguível de água mais distantes por infravermelho [1404] E X-ray [ 1405] Espectroscopia. 

Mesmo os vizinhos segunda à superfície são consideravelmente afetadas devido à concorrência entre as águas superficiais e os efeitos do confinamento [ 1406]. Quando o confinamento é menor do que cerca de 2 nm de largura, a viscosidade pode aumentar consideravelmente para mais de um milhão de vezes a da água em massa, mas este aumento de viscosidade não é observado se as superfícies confinantes são hidrofóbicos [ 1304]. O hidroxilas de superfície sobre o vínculo dos poros paredes de hidrogênio para a água e controlar a distorção da rede de ligação de hidrogênio e sua superfície dinâmica [ 1408].

 

 

Variação do espaçamento entre os sites de interação em superfícies polares cavidade determinar a força de distribuição, encadernação e organização de várias camadas de moléculas de água. A adsorção de água sobre uma superfície nua envolve mudanças contínuas na estruturação, devido ao relaxamento da ligação de hidrogênio molecular e orientações como a superfície fica coberta de água e as camadas mais são adicionados. Isto pode dar origem a histerese substancial (oposto mostrado) na estrutura e propriedades em sua remoção [ 1409].

Confinamento pode causar pontos de fusão aumentada ou diminuída, dependendo da superfície e do espaço disponível.Geralmente, espera-se que o ponto levantado fervura e de congelamento deprimidos são inversamente relacionada com o diâmetro capilar devido ao efeito Gibbs-Thomson [ 1420]. Por exemplo, o gelo cúbicos podem formar-se 4,2 nm de diâmetro dos poros de sílica cilíndricas, 232 K [ 1410]. No entanto, as interações de superfície eo diâmetro confinamento pode causar efeitos opostos, como o gelo que se forma a 400 K em poros muito estreita (0,6-1,0 nm de diâmetro) em vidro poroso [ 1411].

 

Água pode congelar quando confinado entre superfícies planas, que podem formar as pontes de hidrogênio otimizada ordenou necessário. A água confinados sofre mudanças significativas na densidade e viscosidade como a separação de superfície é variada. Por exemplo, em um modelo, a água passa do estado líquido ao sólido e vice-versa como o espaço diminui de 0,58 nm para 0,53 nm para 0,47 nm entre as superfícies de ligação interagindo mas não hidrogênio [ 1412].Se incapaz de formar as estruturas necessárias ordenou, ainda pode sofrer grandes flutuações na densidade, uma vez que tenta otimizar a sua estrutura dentro das restrições do confinamento.

 

Quando o gelo se forma no fortemente vinculativo ou atomicamente superfícies ásperas confinamento, pode não haver espaço para expansão e um gelo amorfo de alta densidade pode resultar [ 1413]. Ices diferentes podem formar-se interagindo espaço confinado, com uma alta densidade de gelo confinados (1,2 g cm -3 ) formado a partir de duas hélices e cristalização à temperatura ambiente em AlPO 4 -5 zeólita 0,73 nm de diâmetro microporos [ 1407]. Ambos os gelos cúbicos e amorfo pode formar em superfícies de sílica fortemente vinculativo a baixas temperaturas [ 1406 ]. No entanto, em vez de formação de gelo dentro de confinamento, a água líquida em espaços confinados pode deixar o confinamento de congelamento, para cristalizar livremente externo para a cavidade, desde que eles podem ser facilmente substituída pela fase gasosa sob a pressão ambiente [ 1399]. 

Capilar aumento

O movimento da água para cima ou para baixo capilar (furo estreito) tubos e espaços confinados é devido à pressão de Laplace em superfícies curvas.um Assim, se as curvas da água em direção à superfície (superfícies hidrofílicas, da esquerda na figura), então a água entra no capilar até que a pressão da água acima da superfície do líquido (= peso por unidade de volume x altura) neutraliza a pressão reduzida (= 2 x tensão superficial / raio). Assim, a água vai subir (a máxima) 2,94 centímetros dentro de um capilar de vidro de 1 mm de diâmetro a 25 ° C.b Um efeito oposto ocorre nos capilares hidrofóbica (extrema direita). É a presença da extensa gás-líquido interfaces e muitas pontes capilar que são responsáveis ​​pela característica de areia molhada que lhe permite ser facilmente moldado em castelos de areia [ 1537].

 

Existem fatores de confusão quando capilares muito finos são considerados. A superfície não será uniforme, mas envolvem uma série de ambientes molecularmente organizado. Além disso, a água fortemente ligado irá reduzir o diâmetro efetivo capilar, aumentando assim qualquer movimento da água. Embora o fenômeno de ascensão capilar se sustenta por muito pequeno diâmetro dos capilares, não é claro que pode escalar até nanômetros ou capilares molecularmente de tamanho [ 1449].

 

fonte: http://www.lsbu.ac.uk/water/interfac2.html#cap

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