Lihat sumber Es Ih

{{redirect|Es I|es bentuk kubik|Es Ic}}
{{DISPLAYTITLE:Es I<sub>h</sub>}}
[[Berkas:Icecube-detail.jpg|thumb|Foto yang menunjukkan detail es batu di bawah pembesaran. Es I<sub>h</sub> adalah bentuk es yang biasa ditemui di Bumi.]]
[[Berkas:Phase Space of Ice Ih.png|thumb|Fase ruang es I<sub>h</sub> bersama dengan fase es lainnya.]]
'''Es I<sub>h</sub>''' (kristal es heksagonal) (dilafalkan: '''es satu h''', juga dikenal sebagai '''es fase satu''') adalah bentuk kristal heksagonal dari [[es]] biasa, atau [[sifat air|air]] beku.<ref>{{cite journal|url=http://atom.me.gatech.edu/zhut/Courses/Courses_HarvardCollection/caiwei/phasesofice.pdf|title=The Many Phases of Ice|author=Norman Anderson|publisher=Iowa State University|archive-url=https://web.archive.org/web/20091007073915/http://atom.me.gatech.edu/zhut/Courses/Courses_HarvardCollection/caiwei/phasesofice.pdf|archive-date=7 Oktober 2009}}</ref> Hampir semua es di [[biosfer]] adalah es I<sub>h</sub>, kecuali sejumlah kecil [[Es Ic|es I<sub>c</sub>]] yang kadang dapat ditemui di atmosfer bagian atas. Es I<sub>h</sub> menunjukkan banyak sifat khas yang relevan dengan keberadaan kehidupan dan pengaturan [[Klimatologi|iklim global]]. Untuk penjelasan tentang sifat-sifat ini, lihat ''[[Es]]'', yang berkaitan terutama dengan es I<sub>h</sub>.

Struktur kristal es ini dicirikan oleh atom oksigen yang membentuk [[Keluarga kristal heksagonal|simetri heksagonal]] dengan sudut ikatan [[tetrahedron|tetrahedral]] yang dekat. Es I<sub>h</sub> stabil hingga suhu {{convert|-268|C|K F|0}}, sebagaimana dibuktikan oleh difraksi [[sinar-X]]<ref name=Rottger>{{cite journal|first1=K. |last1=Rottger |first2=A. |last2=Endriss |first3=J. |last3=Ihringer |first4=S. |last4=Doyle |first5=W. F. |last5=Kuhs|title=Lattice Constants and Thermal Expansion of H<sub>2</sub>O and D<sub>2</sub>O Ice I<sub>h</sub> Between 10 and 265 K |journal=Acta Crystallogr. |year=1994 |volume= B50 |issue=6 |pages=644–648 |doi=10.1107/S0108768194004933}}</ref> dan pengukuran ekspansi termal beresolusi sangat tinggi.<ref name=Buckingham>{{cite journal|author=David T. W. Buckingham, J. J. Neumeier, S. H. Masunaga, and Yi-Kuo Yu|title=Thermal Expansion of Single-Crystal H<sub>2</sub>O and D<sub>2</sub>O Ice Ih|journal=Physical Review Letters |year=2018 |volume=121 |issue=18|pages=185505 |doi=10.1103/PhysRevLett.121.185505 |pmid=30444387|bibcode=2018PhRvL.121r5505B|doi-access=free}}</ref> Es I<sub>h</sub> juga stabil di bawah tekanan yang diterapkan hingga sekitar {{convert|210|MPa|atm}} di mana ia bertransisi menjadi [[es III]] atau [[es  II]].<ref>{{cite journal|author=P. W. Bridgman|title=Water, in the Liquid and Five Solid Forms, under Pressure |journal=Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences |year=1912 |volume=47 |issue=13 |pages=441–558 |doi=10.2307/20022754 |jstor=20022754 }}</ref>
==Sifat fisik==
Massa jenis es I<sub>h</sub> adalah 0,917 g/cm<sup>3</sup> yang lebih kecil dari massa jenis [[sifat air|air cair]]. Hal ini disebabkan adanya [[ikatan hidrogen]] yang menyebabkan atom menjadi lebih dekat dalam fase cair.<ref>{{cite book|url=https://books.google.com/books?id=BV6cAQAAQBAJ&pg=PA144 |first=Peter |last=Atkins |first2=Julio |last2=de Paula |page=144 |title=Physical chemistry.|date=2010|publisher=W. H. Freeman and Co.|location=New York|isbn=978-1429218122|edition=9}}</ref> Karena itu, es I<sub>h</sub> 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 {{convert|4|C|K F|0}} karena air paling padat pada suhu ini. Sedingin apa pun permukaannya, selalu ada lapisan di dasar danau yang bersuhu {{convert|4|C|K F|0}}. Perilaku anomali air dan es inilah yang memungkinkan ikan bertahan hidup di musim dingin yang keras. Massa jenis es I<sub>h</sub> meningkat saat didinginkan, hingga suhu sekitar {{convert|-211|C|K F|0}}; di bawah suhu tersebut, es mengembang lagi ([[pemuaian negatif|ekspansi termal negatif]]).<ref name=Rottger /><ref name=Buckingham />

[[Kalor peleburan|Panas peleburan]] latennya adalah {{val|5987|u=J|up=mol}}, dan [[kalor sublimasi|panas sublimasi]] latennya adalah {{val|50911|u=J|up=mol}}. 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&nbsp;°C juga mengandung banyak ikatan hidrogen. Indeks bias es I<sub>h</sub> adalah 1,31.
==Struktur kristal==
[[Berkas:cryst struct ice.png|thumb|250px|Struktur kristal es I<sub>h</sub>. Garis putus-putus mewakili ikatan hidrogen]]
[[Struktur kristal]] es biasa yang diterima pertama kali diusulkan oleh [[Linus Carl Pauling|Linus Pauling]] pada tahun 1935. Struktur es I<sub>h</sub> kira-kira merupakan salah satu bidang berkerut yang terdiri dari cincin heksagonal [[teselasi|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.<ref name=bjerrum>{{cite journal|last=Bjerrum|first=N|title=Structure and Properties of Ice|journal=Science|date=11 April 1952|volume=115|issue=2989|pages=385–390|doi=10.1126/science.115.2989.385|pmid=17741864|bibcode = 1952Sci...115..385B }}</ref> Jarak antara atom oksigen sepanjang setiap ikatan adalah sekitar 275&nbsp;[[pikometer|pm]] dan sama antara dua atom oksigen yang terikat dalam kisi. Sudut antar ikatan dalam kisi kristal sangat dekat dengan [[Tetrahedron#Koordinat untuk tetrahedron beraturan|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&nbsp;°C. Mendekati 0&nbsp;°C, kisi-kisi kecil berbentuk seperti es I<sub>h</sub> berbentuk heksagonal dalam air cair, dengan frekuensi yang lebih besar mendekati 0&nbsp;°C. Efek ini menurunkan massa jenis air, menyebabkannya menjadi terpadat pada suhu 4&nbsp;°C ketika strukturnya jarang terbentuk.
==Gangguan hidrogen==
{{Lihat pula|Aturan es}}{{anchor|Proton disorder|Gangguan proton}}
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&nbsp;pm sepanjang 275&nbsp;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.<ref name=bernal>{{cite journal|last=Bernal|first=J. D.|author2=Fowler, R. H.|title=A Theory of Water and Ionic Solution, with Particular Reference to Hydrogen and Hydroxyl Ions|journal=The Journal of Chemical Physics|date=1 Januari 1933|volume=1|issue=8|pages=515|doi=10.1063/1.1749327|bibcode=1933JChPh...1..515B}}</ref> Entropi sisa ''S''<sub>0</sub> ini sama dengan 3,5&nbsp;J&nbsp;mol<sup>−1</sup>&nbsp;K<sup>−1</sup>.<ref>{{cite journal|last=Pauling|first=Linus |author-link=Linus Carl Pauling |journal=Journal of the American Chemical Society|date=1 Desember 1935|title=The Structure and Entropy of Ice and of Other Crystals with Some Randomness of Atomic Arrangement|volume=57|issue=12|pages=2680–2684|doi=10.1021/ja01315a102}}</ref>

Ada berbagai cara untuk memperkirakan angka ini dari prinsip pertama. Misalkan ada sejumlah ''N'' molekul air. Atom oksigen membentuk kisi [[graf bipartit|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

:<math>\tbinom 4 2 = 6</math>

konfigurasi hidrogen yang diperbolehkan untuk atom oksigen ini. Jadi, terdapat 6<sup>''N/2''</sup> 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

:<math>2^4 = 16</math>

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

:<math>6^{N/2} (6/16)^{N/2} = (3/2)^N .</math>

Dengan menggunakan [[Rumus entropi Boltzmann|prinsip Boltzmann]], kita dapat menyimpulkan bahwa

:<math>S_0 = Nk\ln(3/2),</math>

dengan <math>k</math> adalah [[konstanta Boltzmann]], yang menghasilkan nilai 3,37&nbsp;J&nbsp;mol<sup>−1</sup>&nbsp;K<sup>−1</sup>, 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&nbsp;J/mol ketika struktur kristal berubah menjadi es I. Juga, [[es XI]], bentuk es ortorombik berorde hidrogen, I<sub>h</sub>, dianggap sebagai bentuk paling stabil pada suhu rendah.
==Lihat pula==
* [[Es]], untuk bentuk es kristal lainnya
==Referensi==
{{Reflist}}
==Bacaan lebih lanjut==
* {{cite book |url=https://books.google.com/books?id=botnPwAACAAJ |title = The Chemical Physics of Ice|isbn = 9780521112307|last1 = Fletcher|first1 = N. H.|date = 4 Juni 2009}}
* {{cite book |url=https://books.google.com/books?id=oC941a8lXWIC |title = Physics of Ice|isbn = 9780191581342|last1 = Petrenko|first1 = Victor F.|last2 = Whitworth|first2 = Robert W.|date = 19 Agustus 1999}}
* {{cite web |url=http://www.lsbu.ac.uk/water/ice1h.html |title=Hexagonal ice structure |access-date=25 Maret 2023 |author=Chaplin, Martin |date=11 November 2007 |work=Water Structure and Science}}

{{Es (air beku)}}

[[Kategori:Es air]]