EisStrukturen

Eisstrukturen bezeichnet die ordnungsgemäßen Anordnungen von Wassermolekülen in festem Zustand, insbesondere kristalline Formen des Wassers. Unter normalen Druck- und Temperaturbedingungen dominiert das hexagonale Eis Ih; unter anderen Bedingungen entstehen verschiedene Kristallformen, die durch unterschiedliche Anordnungen der Sauerstoffatome und die Orientierung der Wasserstoffatome gekennzeichnet sind.

Aufbau: Jedes Sauerstoffatom ist tetraedisch von vier Wasserstoffbrückenbindungen umgeben. Die Struktur folgt den Bernal-Fowler-Regeln: Zwei Wasserstoffatome befinden sich in der Nähe jedes Sauerstoffatoms als Donatoren, zwei als Akzeptoren. In Eis Ih ist die Protonenanordnung weitgehend ungeordnet (Protonendisorder). Bei niedrigen Temperaturen kann sich Teilordnung einstellen und Ice XI entstehen, eine protonenordnete Variante von Eis Ih.

Bekannte Phasen: Neben Eis Ih und der kubischen Phase Eis Ic existieren mehrere Hochdruckformen wie Ice II, III, V, VI, VII und VIII, deren Stabilität von Druck und Temperatur abhängt. Protonenordnete Varianten wie Ice XI unterscheiden sich durch geordnete Protonenanordnung innerhalb des Sauerstoffgerüsts. Die Vielfalt der Phasen spiegelt die enge Verbindung von Gitterstruktur, Wasserstoffbrückenbindungen und Protonenordnung wider.

Nachweismethoden: Die Struktur wird primär durch Neutronen- und Röntgenbeugung untersucht. Spektroskopische Verfahren (z. B. Raman- und IR-Spektroskopie) ergänzen Informationen über Bindungsnetz und Phasenübergänge. Theoretische Modellierung und Simulationen unterstützen das Verständnis der Phasenrelationen und der thermodynamischen Eigenschaften.

Bedeutung: Eisstrukturen spielen eine zentrale Rolle in Geophysik, Planetenwissenschaft und Kryotechnik, da sie Eigenschaften wie Dichte, Wärmeleitfähigkeit und mechanisches Verhalten der Eisschichten in Erd- und anderen Himmelskörpern beeinflussen.