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The Distortion of a Water Molecule in Ice*

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

E. Whalley*
Affiliation:
Division of Chemistry, National Research Council, Ottawa, Ontario K1A 0R9, Canada
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

The experimental evidence for the distortion of a water molecule when it is condensed to form ice is reviewed. The specific distortions considered are the changes in inter-nuclear distances, energy and its derivatives with respect to nuclear motion, and electrical moments and polarizabilities and their response to nuclear motion. Some of the properties of ice can be expanded as Fourier or Taylor series in the ratio r/R of the O–H to the O—O distances, and these expansions are used to relate various properties of the intermolecular potential energy, of the electrical dipole moments, and of the polarizability. For example, the amplitude of the orientation polarization can be related to the infrared intensity of the fundamental and first overtone infrared bands.

Résumé

Résumé

Nous présentons les diverses données expérimentales mettant en évidence la distorsion d’une molécule d’eau quand elle est condensée sous forme de glace. Nous avons considéré les distorsions spécifiques correspondant aux variations des distances entre les noyaux, l’énergie et ses dérivées par rapport à tout déplacement des noyaux, et les moments électriques et la polarisation ainsi que leur variation lors du mouvement des noyaux. Certaines propriétés de la glace peuvent être développées en série de Fourier et de Taylor en fonction du rapport r/R (r: distance O–H ; R: distance O—O) et ses développements sont utilisés pour relier diverses propriétés à l’énergie potentielle intermoléculaire, au moment dipolaire et à la polarisation. Par exemple, l’intensité et l’orientation de la polarisation peuvent être reliées à l’intensité des deux premières bandes du spectre infra-rouge.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Es wird ein Überblick über die experimentellen Beweise für die Verzerrung eines Wassermoleküls bei der Kondensation zu Eis gegeben. Folgende besonderen Verzerrungen werden betrachtet: die Ānderung der zwischennuklearen Abstände, die Energie und deren Ableitungen in bezug auf die Kernbewegung, sowie die elektrischen Momente und Polarisier-barkeiten und ihre Antwort auf die Kernbewegung. Einige der Eiseigenschaften können als Fourier-oder Taylorreihen nach dem Verhältnis r/R (O–H- zu O—O-Abstand) entwickelt werden. Diese Entwicklungen werden benützt, um verschiedene Eigenschaften der intermolekularen potentiellen Energie, der elektrischen Dipolmomente und der Polarisierbarkeit miteinander zu verbinden. So kann zum Beispiel der Betrag der Orientierungspolarisation mil der Intensität der Infrarotbande der Grundschwingung und ersten Oberschwingung verknüpft werden.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1978
Figure 0

Table. 1. DISTANCES AND ANGLES CALCULATED FROM MEAN NUCLEAR POSITIONS IN D2O ICE II AND IX AS DETERMINED BY SINGLE-CRYSTAL NEUTRON DIEFRACTION

Figure 1

Table II INTEGRATED ABSORPTIVITIES ρ-1K dv OF THE O–H STRETCHING vOH AND ROTATIONAL vR VIBRATIONS OF ICE

Figure 2

Fig. 1. Potential function for the v1 vibration of water molecules in the vapor. – – – according to the Morse potential described in Section 3.1; –––– in the in-phase vibration of ice I according to the potential of Equation (15).

Figure 3

Fig. 2. Dipole moment of a water molecule in ice as a function of the ratio r/R of the O–H to the O–O distance according to Equation (20) taking only the first term with μ(1) = 3.16 D.