Nalazi se u stanju agregacije, koje na sobnoj temperaturi ima tendenciju da bude u gasovitom ili tečnom obliku. Svojstva leda počela su se proučavati prije nekoliko stotina godina. Prije otprilike dvije stotine godina, naučnici su otkrili da voda nije jednostavno jedinjenje, već složeni hemijski element koji se sastoji od kiseonika i vodonika. Nakon otkrića, formula vode počela je izgledati kao H 2 O.

Struktura leda

H 2 O se sastoji od dva atoma vodika i jednog atoma kiseonika. U mirnom stanju, vodonik se nalazi na vrhovima atoma kiseonika. Ioni kisika i vodonika trebali bi zauzimati vrhove jednakokračnog trougla: kisik se nalazi na vrhu pravog ugla. Ova struktura vode naziva se dipol.

Led se sastoji od 11,2% vodonika, a ostatak je kiseonik. Svojstva leda zavise od njegove hemijske strukture. Ponekad sadrži plinovite ili mehaničke formacije - nečistoće.

Led se u prirodi javlja u obliku nekoliko kristalnih vrsta koje stabilno zadržavaju svoju strukturu na temperaturama od nule i ispod, ali na nuli i iznad se počinje topiti.

Kristalna struktura

Osobine leda, snega i pare su potpuno različite i zavise od U čvrstom stanju, H 2 O je okružen sa četiri molekula smeštena na uglovima tetraedra. Pošto je koordinacijski broj nizak, led može imati otvorenu strukturu. To se ogleda u svojstvima leda i njegovoj gustini.

Ledeni oblici

Led je supstanca uobičajena u prirodi. Na Zemlji postoje sljedeće sorte:

• rijeka;
• jezero;
• nautički;
• firn;
• glečer;
• tlo.

Postoji led koji se direktno formira sublimacijom, tj. iz stanja pare. Ovaj izgled poprima skeletni oblik (zovemo ih pahuljice) i agregate dendritnog i skeletnog rasta (mraz, inje).

Jedan od najčešćih oblika su stalaktiti, odnosno ledenice. Rastu po cijelom svijetu: na površini Zemlje, u pećinama. Ova vrsta leda nastaje strujanjem kapljica vode kada je temperaturna razlika oko nula stepeni u jesensko-prolećnom periodu.

Formacije u obliku ledenih traka koje se pojavljuju uz rubove rezervoara, na granici vode i zraka, kao i uz rub lokve, nazivaju se ledene obale.

Led se može formirati u poroznim zemljištima u obliku vlaknastih vena.

Svojstva leda

Supstanca može biti u različitim stanjima. Na osnovu toga postavlja se pitanje: koja se osobina leda manifestuje u ovom ili onom stanju?

Naučnici razlikuju fizička i mehanička svojstva. Svaki od njih ima svoje karakteristike.

Fizička svojstva

Fizička svojstva leda uključuju:

1. Gustina. U fizici, nehomogeni medij predstavlja granica omjera mase tvari samog medija i volumena u kojem se nalazi. Gustoća vode, kao i drugih supstanci, funkcija je temperature i pritiska. Obično se u proračunima koristi konstantna gustoća vode jednaka 1000 kg/m3. Precizniji indikator gustine uzima se u obzir samo kada je potrebno izvršiti vrlo tačne proračune zbog važnosti rezultata rezultujuće razlike u gustini.
   Prilikom izračunavanja gustine leda uzima se u obzir kakva je voda postala led: kao što je poznato, gustina slane vode je veća od destilovane vode.
2. Temperatura vode. Obično se javlja na temperaturi od nula stepeni. Procesi smrzavanja se javljaju povremeno s oslobađanjem topline. Obrnuti proces (topljenje) nastaje kada se apsorbira ista količina topline koja je oslobođena, ali bez skokova, ali postepeno.
   U prirodi postoje uslovi pod kojima se voda prehlađena, ali ne smrzava. Neke rijeke zadržavaju tečnu vodu čak i na temperaturi od -2 stepena.
3. količina toplote koja se apsorbuje kada se telo zagreje za svaki stepen. Postoji specifičan toplotni kapacitet, koji se karakteriše količinom toplote koja je potrebna za zagrijavanje kilograma destilovane vode za jedan stepen.
4. Kompresibilnost. Još jedno fizičko svojstvo snijega i leda je stišljivost, koja utiče na smanjenje volumena pod utjecajem povećanog vanjskog pritiska. Recipročna veličina se naziva elastičnost.
5. Jačina leda.
6. Boja leda. Ovo svojstvo zavisi od apsorpcije svetlosti i rasipanja zraka, kao i od količine nečistoća u smrznutoj vodi. Rečni i jezerski led bez stranih nečistoća vidljiv je u mekoj plavoj svetlosti. Morski led može biti potpuno različit: plavi, zeleni, plavi, bijeli, smeđi ili imati čeličnu nijansu. Ponekad možete vidjeti crni led. Ovakvu boju dobija zbog velikog broja minerala i raznih organskih nečistoća.

Mehanička svojstva leda

Mehanička svojstva leda i vode određuju se njihovom otpornošću na uticaj spoljašnje sredine u odnosu na jedinicu površine. Mehanička svojstva zavise od strukture, saliniteta, temperature i poroznosti.

Led je elastična, viskozna, plastična formacija, ali postoje uslovi pod kojima postaje tvrd i vrlo lomljiv.

Morski led i slatkovodni led se razlikuju: prvi je mnogo fleksibilniji i manje izdržljiv.

Prilikom prolaska brodova moraju se uzeti u obzir mehanička svojstva leda. Ovo je takođe važno kada koristite ledene puteve, prelaze i drugo.

Voda, snijeg i led imaju slična svojstva koja određuju karakteristike tvari. Ali u isto vrijeme, na ova očitavanja utiču i mnogi drugi faktori: temperatura okoline, nečistoće u čvrstom stanju, kao i početni sastav tečnosti. Led je jedna od najzanimljivijih supstanci na Zemlji.

Voda je poznata i neobična supstanca. Gotovo 3/4 površine naše planete zauzimaju okeani i mora. Tvrda voda - snijeg i led - pokriva 20% zemljišta. Klima planete zavisi od vode. To kažu geofizičari Zemlja bi se odavno ohladila i pretvorila u beživotni komad kamena, da nije bilo vode. Ima veoma visok toplotni kapacitet. Kada se zagreje, apsorbuje toplotu; hladi se, on ga daje. Zemljina voda upija i vraća mnogo topline i na taj način „izjednačava“ klimu. A ono što štiti Zemlju od kosmičke hladnoće su oni molekuli vode koji su rasuti u atmosferi – u oblacima iu obliku pare.

Voda je najmisterioznija supstanca u prirodi nakon DNK, posjeduju jedinstvena svojstva koja ne samo da još uvijek nisu u potpunosti objašnjena, već su daleko od svih poznatih. Što se duže proučava, u njemu se otkriva više novih anomalija i misterija. Većina ovih anomalija koje omogućavaju život na Zemlji objašnjavaju se prisustvom vodikovih veza između molekula vode, koje su mnogo jače od van der Waalsovih sila privlačenja između molekula drugih supstanci, ali za red veličine slabije od ionskih i kovalentnih veze između atoma u molekulima. Iste vodonične veze su takođe prisutne u molekulu DNK.

Molekul vode (H 2 16 O) sastoji se od dva atoma vodika (H) i jednog atoma kiseonika (16 O). Ispostavilo se da su gotovo čitava raznolikost svojstava vode i neobičnost njihove manifestacije određena, u konačnici, fizičkom prirodom ovih atoma, načinom na koji su spojeni u molekulu i grupiranjem nastalih molekula.

Rice. Struktura molekula vode . Geometrijski dijagram (a), ravni model (b) i prostorna elektronska struktura (c) H2O monomera. Dva od četiri elektrona u vanjskoj ljusci atoma kisika sudjeluju u stvaranju kovalentnih veza s atomima vodika, a druga dva formiraju vrlo izdužene elektronske orbite, čija je ravan okomita na ravninu H-O-H.

Molekul vode H 2 O izgrađen je u obliku trougla: ugao između dve veze kiseonik-vodon je 104 stepena. Ali budući da se oba atoma vodika nalaze na istoj strani kisika, električni naboji u njemu su raspršeni. Molekula vode je polarna, što je razlog posebne interakcije između njenih različitih molekula. Atomi vodika u molekulu H 2 O, koji imaju djelomično pozitivan naboj, stupaju u interakciju s elektronima atoma kisika susjednih molekula. Ova hemijska veza se naziva vodonična veza. Ujedinjuje H 2 O molekule u jedinstvene saradnike prostorne strukture; ravan u kojoj se nalaze vodonične veze je okomita na ravninu atoma iste molekule H 2 O. Interakcija između molekula vode prvenstveno objašnjava nenormalno visoke temperature njenog topljenja i ključanja. Mora se isporučiti dodatna energija da bi se olabavile, a zatim i uništile vodonične veze. I ova energija je veoma značajna. Zbog toga je toplotni kapacitet vode tako visok.

Molekul vode sadrži dvije polarne kovalentne veze H–O. Nastaju zbog preklapanja dva jednoelektronska p - oblaka atoma kiseonika i jednoelektronskih S - oblaka dva atoma vodika.

U skladu sa elektronskom strukturom atoma vodika i kiseonika, molekul vode ima četiri elektronska para. Dva od njih učestvuju u stvaranju kovalentnih veza sa dva atoma vodika, tj. su obavezujuće. Druga dva elektronska para su slobodna - nevezujuća. Oni formiraju elektronski oblak. Oblak je heterogen - u njemu je moguće razlikovati pojedinačne kondenzacije i razrjeđivanja.

Molekul vode ima četiri polna naboja: dva pozitivna i dva negativna. Pozitivni naboji su koncentrirani na atome vodika, budući da je kisik više elektronegativni od vodonika. Dva negativna pola dolaze od dva nevezana elektronska para kiseonika.

U jezgru kiseonika stvara se višak elektronske gustine. Unutrašnji elektronski par kiseonika ravnomerno uokviruje jezgro: shematski je predstavljen krugom sa centrom - O 2- jezgrom. Četiri vanjska elektrona grupirana su u dva elektronska para koji gravitiraju prema jezgru, ali djelimično nisu kompenzirani. Šematski, ukupne elektronske orbitale ovih parova prikazane su u obliku elipsi izduženih iz zajedničkog centra - O 2- jezgra. Svaki od preostala dva elektrona u kisiku uparuje s jednim elektronom u vodiku. Ove pare takođe gravitiraju prema jezgru kiseonika. Stoga se jezgra vodika - protoni - ispostavi da su pomalo gola, a ovdje se uočava nedostatak elektronske gustoće.

Dakle, u molekuli vode postoje četiri pola naelektrisanja: dva negativna (višak elektronske gustine u oblasti jezgra kiseonika) i dva pozitivna (nedostatak elektronske gustine u dva jezgra vodonika). Radi veće jasnoće, možemo zamisliti da polovi zauzimaju vrhove deformiranog tetraedra, u čijem se središtu nalazi jezgro kisika.

Rice. Struktura molekula vode: a – ugao između O-H veza; b – lokacija polova punjenja; c – izgled elektronskog oblaka molekula vode.

Gotovo sferična molekula vode ima primjetno izražen polaritet, budući da su električni naboji u njemu raspoređeni asimetrično. Svaki molekul vode je minijaturni dipol sa visokim dipolnim momentom od 1,87 deBy. Debye je vansistemska jedinica električnog dipola 3,33564·10 30 C·m. Pod utjecajem vodenih dipola, interatomske ili međumolekularne sile na površini tvari uronjene u nju oslabe se 80 puta. Drugim riječima, voda ima visoku dielektričnu konstantu, najveću od svih nama poznatih spojeva.

U velikoj mjeri zbog toga, voda se manifestira kao univerzalni rastvarač. Čvrste materije, tečnosti i gasovi su podložni dejstvu njegovog rastvaranja u ovom ili onom stepenu.

Specifični toplinski kapacitet vode je najveći od svih tvari. Osim toga, on je 2 puta veći od leda, dok se za većinu jednostavnih tvari (na primjer, metala) toplinski kapacitet praktički ne mijenja tokom procesa topljenja, a za tvari napravljene od poliatomskih molekula u pravilu se smanjuje tokom topljenja.

Takvo razumijevanje strukture molekula omogućava objašnjenje mnogih svojstava vode, posebno strukture leda. U kristalnoj rešetki leda, svaki molekul je okružen sa četiri druga. Na planarnoj slici to se može predstaviti na sljedeći način:

Veza između molekula se vrši preko atoma vodika. Pozitivno nabijeni atom vodika jedne molekule vode privlači negativno nabijeni atom kisika druge molekule vode. Ova veza se zove vodikova veza (označena je tačkama). Jačina vodonične veze je otprilike 15-20 puta slabija od kovalentne veze. Stoga se vodonična veza lako prekida, što se uočava, na primjer, tokom isparavanja vode.

Rice. lijevo - Vodikove veze između molekula vode

Struktura tekuće vode podsjeća na strukturu leda. U tekućoj vodi, molekuli su također povezani jedni s drugima vodoničnim vezama, ali struktura vode je manje "kruta" od leda. Zbog termičkog kretanja molekula u vodi, neke vodikove veze se prekidaju, a druge nastaju.

Rice. Kristalna rešetka leda. Molekuli vode H 2 O (crne kuglice) u njegovim čvorovima smješteni su tako da svaki ima po četiri „susjeda“.

Polaritet molekula vode i prisustvo djelimično nekompenziranih električnih naboja u njima dovodi do sklonosti grupiranju molekula u velike “zajednice” - saradnike. Ispostavilo se da samo voda u stanju pare u potpunosti odgovara formuli H2O. To su pokazali rezultati određivanja molekulske mase vodene pare. U temperaturnom rasponu od 0 do 100°C, koncentracija pojedinačnih (monomernih molekula) tekuće vode ne prelazi 1%. Svi ostali molekuli vode su kombinovani u asociate različitog stepena složenosti, a njihov sastav je opisan opštom formulom (H 2 O)x.

Neposredni uzrok nastanka suradnika su vodikove veze između molekula vode. Oni nastaju između jezgri vodika nekih molekula i elektronskih „kondenzacija“ jezgara kisika drugih molekula vode. Istina, ove veze su desetine puta slabije od "standardnih" unutarmolekularnih kemijskih veza, a obični molekularni pokreti su dovoljni da ih unište. Ali pod utjecajem toplinskih vibracija, nove veze ovog tipa jednako lako nastaju. Nastanak i propadanje saradnika može se izraziti sledećim dijagramom:

x·H 2 O↔ (H 2 O) x

Budući da orbitale elektrona u svakoj molekuli vode formiraju tetraedarsku strukturu, vodikove veze mogu urediti raspored molekula vode u tetraedarske koordinirane saradnike.

Većina istraživača objašnjava anomalno visok toplotni kapacitet tekuće vode činjenicom da kada se led topi, njegova kristalna struktura se ne urušava odmah. U tekućoj vodi, vodikove veze između molekula su očuvane. Ono što u njemu ostaje su fragmenti leda - saradnici većeg ili manjeg broja molekula vode. Međutim, za razliku od leda, svaki saradnik ne postoji dugo. Neprestano dolazi do uništavanja jednih i formiranja drugih saradnika. Pri svakoj vrijednosti temperature u vodi, u ovom procesu se uspostavlja vlastita dinamička ravnoteža. A kada se voda zagrije, dio topline se troši na razbijanje vodoničnih veza u saradnicima. U ovom slučaju, 0,26-0,5 eV se troši na prekid svake veze. Ovo objašnjava anomalno visok toplotni kapacitet vode u odnosu na taline drugih supstanci koje ne stvaraju vodonične veze. Prilikom zagrijavanja takvih talina energija se troši samo na prenošenje toplinskih kretanja njihovim atomima ili molekulama. Vodikove veze između molekula vode potpuno se prekidaju tek kada se voda pretvori u paru. O ispravnosti ovakvog gledišta govori i činjenica da se specifični toplotni kapacitet vodene pare na 100°C praktično poklapa sa specifičnim toplotnim kapacitetom leda na 0°C.

Slika ispod:

Osnovni strukturni element saradnika je klaster: Rice. Zaseban hipotetički klaster vode. Pojedinačni klasteri formiraju asociate molekula vode (H 2 O) x: Rice. Klasteri molekula vode formiraju saradnike.

Postoji još jedno gledište o prirodi anomalno visokog toplotnog kapaciteta vode. Profesor G.N. Zatsepina je primetio da je molarni toplotni kapacitet vode, koji iznosi 18 cal/(molgrad), potpuno jednak teoretskom molarnom toplotnom kapacitetu čvrste supstance sa triatomskim kristalima. A u skladu sa Dulongovim i Petitovim zakonom, atomski toplotni kapaciteti svih hemijski jednostavnih (monatomskih) kristalnih tela na dovoljno visokoj temperaturi su isti i jednaki su 6 calDmol o deg). A za triatomske, čiji gramol sadrži 3 N a mjesta kristalne rešetke, to je 3 puta više. (Ovdje je N a Avogadrov broj).

Iz toga slijedi da je voda, takoreći, kristalno tijelo koje se sastoji od triatomskih molekula H 2 0 To odgovara uobičajenoj ideji o vodi kao mješavini kristalno sličnih suradnika s malom primjesom slobodnih molekula H 2 O. između njih, čiji se broj povećava sa porastom temperature. Sa ove tačke gledišta, ono što iznenađuje nije visok toplotni kapacitet tekuće vode, već nizak toplotni kapacitet čvrstog leda. Smanjenje specifičnog toplotnog kapaciteta vode tokom smrzavanja objašnjava se izostankom poprečnih toplotnih vibracija atoma u krutoj kristalnoj rešetki leda, gde svaki proton koji uzrokuje vodikovu vezu ima samo jedan stepen slobode za termičke vibracije umesto tri. .

Ali zbog čega i kako mogu nastati tako velike promjene u toplinskom kapacitetu vode bez odgovarajućih promjena tlaka? Da odgovorimo na ovo pitanje, hajde da se nađemo sa hipotezom kandidata geoloških i mineraloških nauka Yu. A. Kolyasnikova o strukturi vode.

On ističe da su otkrivači vodoničnih veza, J. Bernal i R. Fowler, 1932. godine upoređivali strukturu tekuće vode sa kristalnom strukturom kvarca, a ti saradnici su uglavnom 4H 2 0 tetrameri, u kojima se nalaze četiri molekuli vode povezani su u kompaktni tetraedar sa dvanaest unutrašnjih vodoničnih veza. Kao rezultat, formira se tetraedar.

Istovremeno, vodikove veze u ovim tetramerima mogu formirati i desni i levi niz, baš kao što kristali široko rasprostranjenog kvarca (Si0 2), koji takođe imaju tetraedarsku strukturu, dolaze u desnom i levom kristalnom obliku. . Budući da svaki takav vodeni tetramer također ima četiri neiskorištene vanjske vodikove veze (poput jedne molekule vode), tetrameri mogu biti povezani ovim vanjskim vezama u neku vrstu polimernih lanaca, poput molekula DNK. A budući da postoje samo četiri vanjske veze, a 3 puta više unutrašnjih, to omogućava teškim i jakim tetramerima u tekućoj vodi da se savijaju, okreću pa čak i prekidaju ove vanjske vodikove veze oslabljene toplinskim vibracijama. Ovo određuje fluidnost vode.

Voda, prema Kolyasnikovu, ima ovu strukturu samo u tečnom stanju i, moguće, djelimično u stanju pare. Ali u ledu, čija je kristalna struktura dobro proučena, tetrahidroli su međusobno povezani nefleksibilnim, jednako jakim direktnim vodikovim vezama u otvoreni okvir s velikim prazninama u njemu, što čini gustinu leda manjom od gustine vode. .

Rice. Kristalna struktura leda: molekule vode su povezane u pravilne šesterokute

Kada se led topi, neke od vodikovih veza u njemu slabe i savijaju se, što dovodi do restrukturiranja strukture u gore opisane tetramere i čini tečnu vodu gušću od leda. Na 4°C dolazi do stanja kada su sve vodikove veze između tetramera maksimalno savijene, što određuje maksimalnu gustoću vode na ovoj temperaturi. Nema kuda dalje veze.

Na temperaturama iznad 4°C, pojedinačne veze između tetramera počinju da se kidaju, a na 36-37°C polovina spoljašnjih vodoničnih veza se raskida. Ovo određuje minimum na krivulji specifičnog toplotnog kapaciteta vode u odnosu na temperaturu. Na temperaturi od 70°C prekidaju se gotovo sve intertetramerne veze, a uz slobodne tetramere u vodi ostaju samo kratki fragmenti njihovih “polimernih” lanaca. Konačno, kada voda proključa, dolazi do konačnog raskidanja sada pojedinačnih tetramera na pojedinačne molekule H 2 0 i činjenica da je specifična toplota isparavanja vode tačno 3 puta veća od zbira specifičnih toplota topljenja leda i naknadnog zagrevanja. vode do 100 °C potvrđuje Kolyasnikovovu pretpostavku O. da je broj unutrašnjih veza u tetrameru 3 puta veći od broja vanjskih.

Ova tetraedarsko spiralna struktura vode može biti posljedica njene drevne reološke veze s kvarcom i drugim mineralima silicijum-kiseonika koji prevladavaju u zemljinoj kori, iz čijih se dubina nekada pojavila voda na Zemlji. Kao što mali kristal soli uzrokuje da otopina koja ga okružuje kristalizira u slične kristale, a ne u druge, tako je kvarc uzrokovao da se molekule vode postroje u tetraedarske strukture, koje su energetski najpovoljnije. A u našoj eri, u Zemljinoj atmosferi, vodena para, kondenzirajući se u kapljice, formira takvu strukturu jer atmosfera uvijek sadrži sitne kapljice vode u obliku aerosola koje već imaju ovu strukturu. Oni su centri kondenzacije vodene pare u atmosferi. Ispod su moguće lančane silikatne strukture zasnovane na tetraedru, koji se takođe može sastojati od vodenih tetraedara.

Rice. Elementarni pravilni silicijum-kiseonički tetraedar SiO 4 4-.

Rice. Elementarne silicijum-kiseoničke jedinice-ortogrupe SiO 4 4- u strukturi Mg-piroksen enstatita (a) i diorto grupe Si 2 O 7 6- u Ca-piroksenoidnom volastonitu (b).

Rice. Najjednostavniji tipovi ostrvskih silicijum-kiseonik anjonskih grupa: a-SiO 4, b-Si 2 O 7, c-Si 3 O 9, d-Si 4 O 12, d-Si 6 O 18.

Rice. u nastavku - Najvažnije vrste anjonskih grupa silicijum-kiseoničkog lanca (prema Belovu): a-metagermanat, b - piroksen, c - batizit, d-volastonit, d-vlasovit, e-melilit, f-rodonit, z-piroksmangit , i-metafosfat, k - fluoroberilat, l - barilit.

Rice. ispod - Kondenzacija piroksen silicijum-kiseonik anjona u saćasti dvoredni amfibol (a), troredni amfibol sličan (b), slojeviti talk i srodne anjone (c).

Rice. u nastavku - Najvažnije vrste trakastih silicijum-kiseonik grupa (prema Belovu): a - silimanit, amfibol, ksonotlit; b-epididimitis; β-ortoklaz; g-narsarsukit; d-fenacit prizmatični; e-euclase intarzija.

Rice. desno - Fragment (elementarni paket) slojevite kristalne strukture muskovita KAl 2 (AlSi 3 O 10 XOH) 2, koji ilustruje međuslojnost mreža aluminijum-silicijum-kiseonik sa poliedarskim slojevima velikih aluminijumskih i kalijum katjona, koji podsećaju na lanac DNK.

Mogući su i drugi modeli strukture vode. Tetraedarski vezane molekule vode formiraju neobične lance prilično stabilnog sastava. Istraživači otkrivaju sve suptilnije i složenije mehanizme „unutrašnje organizacije“ vodene mase. Pored strukture nalik ledu, tekuće vode i molekula monomera, opisan je i treći element strukture - ne-tetraedarski.

Određeni dio molekula vode nije povezan u trodimenzionalne okvire, već u linearne prstenaste asocijacije. Prstenovi, kada se grupišu, formiraju još složenije komplekse saradnika.

Dakle, voda teoretski može formirati lance, poput molekula DNK, o čemu će biti riječi u nastavku. Još jedna zanimljiva stvar u vezi sa ovom hipotezom je da ona implicira jednaku vjerovatnoću postojanja desno i lijevo vode. Ali biolozi su odavno primijetili da se u biološkim tkivima i strukturama primjećuju samo lijevo ili desnoruke formacije. Primjer za to su proteinski molekuli, izgrađeni samo od ljevorukih aminokiselina i uvijeni samo u lijevoj spirali. Ali šećeri u prirodi su svi dešnjaci. Niko još nije uspio objasniti zašto u živoj prirodi postoji tolika sklonost lijevom u nekim slučajevima, au drugim desnima. Zaista, u neživoj prirodi, i desnoruki i lijevoruki molekuli se nalaze s jednakom vjerovatnoćom.

Prije više od stotinu godina, poznati francuski prirodnjak Louis Pasteur otkrio je da su organska jedinjenja u biljkama i životinjama optički asimetrična - rotiraju ravninu polarizacije svjetlosti koja pada na njih. Sve aminokiseline koje čine životinje i biljke rotiraju ravninu polarizacije ulijevo, a svi šećeri udesno. Ako sintetiziramo spojeve istog kemijskog sastava, onda će svaki od njih sadržavati jednak broj lijevo i desnorukih molekula.

Kao što znate, svi živi organizmi sastoje se od proteina, a oni su zauzvrat napravljeni od aminokiselina. Kombinacijom jedne s drugom u različitim sekvencama, aminokiseline formiraju dugačke peptidne lance koji se spontano "uvijaju" u složene proteinske molekule. Kao i mnoga druga organska jedinjenja, aminokiseline imaju kiralnu simetriju (od grčkog chiros - ruka), odnosno mogu postojati u dva zrcalno simetrična oblika nazvana "enantiomeri". Takvi su molekuli slični jedni drugima, poput lijeve i desne ruke, pa se nazivaju D- i L-molekuli (od latinskog dexter, laevus - desno i lijevo).

Zamislimo sada da je medij sa lijevim i desnim molekulima prešao u stanje sa samo lijevim ili samo desnim molekulima. Stručnjaci takvo okruženje nazivaju hiralno (od grčke riječi "cheira" - ruka) uređenim. Samoreprodukcija živih bića (biopoeza - kako je definirao D. Bernal) mogla je nastati i održavati se samo u takvom okruženju.

Rice. Zrcalna simetrija u prirodi

Drugi naziv za molekule enantiomera - "desnorotirajući" i "levorotirajući" - dolazi od njihove sposobnosti da rotiraju ravan polarizacije svjetlosti u različitim smjerovima. Ako se kroz otopinu takvih molekula propušta linearno polarizirana svjetlost, ravan njene polarizacije rotira se: u smjeru kazaljke na satu ako su molekuli u otopini desnoruki, i suprotno ako su molekuli u otopini lijevo. A u mješavini jednakih količina D- i L-forma (nazvanih "racemat"), svjetlost će zadržati svoju originalnu linearnu polarizaciju. Ovo optičko svojstvo kiralnih molekula prvi je otkrio Louis Pasteur 1848.

Zanimljivo je da se gotovo svi prirodni proteini sastoje samo od ljevorukih aminokiselina. Ova činjenica je utoliko više iznenađujuća jer sinteza aminokiselina u laboratorijskim uvjetima proizvodi približno isti broj desno i lijevog molekula. Ispostavilo se da ovu osobinu imaju ne samo aminokiseline, već i mnoge druge tvari važne za žive sisteme, a svaka ima strogo definiran znak zrcalne simetrije u cijeloj biosferi. Na primjer, šećeri koji su dio mnogih nukleotida, kao i nukleinske kiseline DNK i RNK, predstavljeni su u tijelu isključivo desnim D-molekulama. Iako su fizička i hemijska svojstva „zrcalnih antipoda” ista, njihova fiziološka aktivnost u organizmima je drugačija: L-kaksara se ne apsorbuje, L-fenilalanin, za razliku od svojih bezopasnih D-molekula, izaziva mentalne bolesti itd.

Prema modernim idejama o nastanku života na Zemlji, izbor određene vrste zrcalne simetrije od strane organskih molekula poslužio je kao glavni preduvjet za njihov opstanak i kasniju samoreprodukciju. Međutim, pitanje kako i zašto je došlo do evolucijske selekcije jednog ili onog zrcalnog antipoda i dalje ostaje jedna od najvećih misterija nauke.

Sovjetski naučnik L. L. Morozov je dokazao da se prelazak na kiralni poredak ne može dogoditi evolucijski, već samo uz neku specifičnu oštru faznu promjenu. Akademik V.I. Goldansky nazvao je ovu tranziciju, zahvaljujući kojoj je nastao život na Zemlji, kiralnom katastrofom.

Kako su nastali uslovi za faznu katastrofu koja je izazvala kiralnu tranziciju?

Najvažnije je da su se organska jedinjenja topila na 800-1000 0C u zemljinoj kori, a gornja su se hladila do temperature svemira, odnosno apsolutne nule. Temperaturna razlika je dostigla 1000 °C. U takvim uslovima, organski molekuli su se topili pod uticajem visoke temperature i čak su bili potpuno uništeni, a vrh je ostao hladan dok su organski molekuli bili zamrznuti. Gasovi i vodena para koji su iscurili iz zemljine kore promijenili su hemijski sastav organskih jedinjenja. Plinovi su nosili toplinu sa sobom, uzrokujući da se linija topljenja organskog sloja pomiče gore-dolje, stvarajući gradijent.

Pri vrlo niskim atmosferskim pritiscima voda je bila na površini zemlje samo u obliku pare i leda. Kada je pritisak dostigao takozvanu trostruku tačku vode (0,006 atmosfera), voda je po prvi put mogla da postoji u obliku tečnosti.

Naravno, samo se eksperimentalno može dokazati šta je tačno izazvalo kiralnu tranziciju: zemaljski ili kosmički razlozi. Ali na ovaj ili onaj način, u nekom trenutku, kiralno uređene molekule (naime, levorotirajuće aminokiseline i desnorotirajući šećeri) su se pokazale stabilnijima i počelo je nezaustavljivo povećanje njihovog broja - kiralna tranzicija.

Kronika planete također govori da u to vrijeme na Zemlji nije bilo planina ili udubljenja. Poluotopljena granitna kora predstavljala je površinu glatku kao nivo modernog okeana. Međutim, unutar ove ravnice još su postojale depresije zbog neravnomjerne raspodjele masa unutar Zemlje. Ova smanjenja su odigrala izuzetno važnu ulogu.

Činjenica je da su udubljenja s ravnim dnom prečnika stotinama, pa čak i hiljadama kilometara i duboka ne više od sto metara, vjerovatno postala kolevka života. Uostalom, voda koja se skupila na površini planete tekla je u njih. Voda je razrijedila kiralna organska jedinjenja u sloju pepela. Hemijski sastav jedinjenja se postepeno menjao, a temperatura se stabilizovala. Prijelaz iz neživog u živo, koji je započeo u bezvodnim uvjetima, nastavio se u vodenoj sredini.

Da li je ovo zaplet o nastanku života? Najvjerovatnije da. U geološkom dijelu Isue (Zapadni Grenland), starom 3,8 milijardi godina, pronađena su jedinjenja nalik benzinu i nafti sa omjerom izotopa C12/C13 karakterističnim za ugljik fotosintetskog porijekla.

Ako se potvrdi biološka priroda ugljičnih spojeva iz sekcije Isua, onda se ispostavlja da je čitav period nastanka života na Zemlji - od pojave kiralne organske tvari do pojave ćelije sposobne za fotosintezu i reprodukciju - bio završeno za samo sto miliona godina. A molekuli vode i DNK igrali su veliku ulogu u ovom procesu.

Najnevjerovatnija stvar u vezi sa strukturom vode je da molekuli vode na niskim negativnim temperaturama i visokim pritiscima unutar nanocijevi mogu kristalizirati u oblik dvostruke spirale, koji podsjeća na DNK. To su dokazali kompjuterski eksperimenti američkih naučnika predvođenih Xiao Cheng Zengom na Univerzitetu Nebraska (SAD).

DNK je dvostruki lanac uvijen u spiralu. Svaka nit se sastoji od "cigli" - nukleotida povezanih u seriju. Svaki nukleotid DNK sadrži jednu od četiri azotne baze - gvanin (G), adenin (A) (purini), timin (T) i citozin (C) (pirimidini), povezane sa dezoksiribozom, a potonji, zauzvrat, fosfat grupa je u prilogu. Susedni nukleotidi su međusobno povezani u lanac fosfodiesterskom vezom koju formiraju 3"-hidroksil (3"-OH) i 5"-fosfatne grupe (5"-PO3). Ovo svojstvo određuje prisustvo polariteta u DNK, tj. suprotnim smjerovima, odnosno krajevima od 5" i 3": kraj od 5" jednog konca odgovara kraju od 3" drugog konca. Niz nukleotida vam omogućava da "kodirate" informacije o različitim tipovima RNK, od kojih su najvažniji glasnik ili šablon (mRNA), ribosomalna (rRNA) i transportna (tRNA). Sve ove vrste RNK se sintetišu na DNK šablonu kopiranjem DNK sekvence u sekvencu RNK koja se sintetiše tokom transkripcije i učestvuju u najvažnijem procesu života – prenosu i kopiranju informacija (translaciji).

Primarna struktura DNK je linearni niz nukleotida DNK u lancu. Niz nukleotida u lancu DNK ispisuje se u obliku slovne formule DNK: na primjer - AGTCATGCCAG, unos se vrši od 5" do 3" kraja DNK lanca.

Sekundarna struktura DNK nastaje zbog interakcije nukleotida (uglavnom azotnih baza) međusobno, vodoničnih veza. Klasičan primjer sekundarne strukture DNK je dvostruka spirala DNK. Dvostruka spirala DNK je najčešći oblik DNK u prirodi, koji se sastoji od dva polinukleotidna lanca DNK. Izgradnja svakog novog lanca DNK odvija se po principu komplementarnosti, tj. Svaka dušična baza jednog lanca DNK odgovara strogo definiranoj bazi drugog lanca: u komplementarnom paru, nasuprot A je T, a nasuprot G je C, itd.

Da bi voda formirala ovakvu spiralu, u simuliranom eksperimentu je “stavljena” u nanocijevi pod visokim pritiskom, varirajući u različitim eksperimentima od 10 do 40.000 atmosfera. Nakon toga je podešena temperatura koja je imala vrijednost od -23°C. Margina u odnosu na tačku smrzavanja vode napravljena je zbog činjenice da se s povećanjem pritiska temperatura topljenja vodenog leda smanjuje. Prečnik nanocevi se kretao od 1,35 do 1,90 nm.

Rice. Opšti pogled na strukturu vode (slika New Scientist)

Molekuli vode su međusobno povezani vodoničnim vezama, udaljenost između atoma kiseonika i vodonika je 96 pm, a između dva vodonika - 150 pm. U čvrstom stanju, atom kiseonika učestvuje u formiranju dve vodikove veze sa susednim molekulima vode. U ovom slučaju, pojedinačni H 2 O molekuli dolaze u kontakt jedni s drugima sa suprotnim polovima. Tako se formiraju slojevi u kojima je svaki molekul povezan s tri molekula svog sloja i jednim iz susjednog. Kao rezultat toga, kristalna struktura leda sastoji se od heksagonalnih "cijevi" međusobno povezanih poput saća.

Rice. Unutrašnji zid vodene strukture (slika New Scientist)

Naučnici su očekivali da će vidjeti da voda u svim slučajevima formira tanku cjevastu strukturu. Međutim, model je pokazao da su pri promjeru cijevi od 1,35 nm i pritisku od 40 000 atmosfera, vodonične veze bile savijene, što je dovelo do formiranja spirale s dvostrukom stijenkom. Unutrašnji zid ove strukture je četverostruka spirala, a vanjski zid se sastoji od četiri dvostruke spirale, slične strukturi molekule DNK.

Posljednja činjenica ostavlja trag ne samo na evoluciju naših ideja o vodi, već i na evoluciju ranog života i samog molekula DNK. Ako pretpostavimo da su u doba nastanka života kriolitne glinene stijene imale oblik nanocijevi, postavlja se pitanje: da li voda koja se u njima sorbira može poslužiti kao strukturna osnova (matrica) za sintezu DNK i čitanje informacija? Možda je to razlog zašto spiralna struktura DNK ponavlja spiralnu strukturu vode u nanocijevi. Kako prenosi magazin New Scientist, sada će naše strane kolege morati da potvrde postojanje ovakvih makromolekula vode u realnim eksperimentalnim uslovima pomoću infracrvene spektroskopije i spektroskopije raspršenja neutrona.

dr.sc. O.V. Mosin

Struktura leda. Vodikove veze postoje i u kristalima leda. Ali ovdje je sistem takvih veza statičan, pa stoga čak i jači nego u tekućoj vodi. To je razlog nenormalno visoke temperature topljenja i specifične topline fuzije leda. U kristalima leda, svaki molekul vode povezan je vodoničnim vezama sa četiri susjedne. Ova struktura je otvorena - u njoj ima mnogo "praznina". Zbog toga je gustina leda relativno niska. Kada se led otopi, neke od "praznina" se popunjavaju "jednostrukim" i "dvostrukim" molekulima H O koji su već oslobođeni iz kristalne rešetke. Zbog toga je gustina vode veća od gustine leda. Zapremina leda je 10% veća od zapremine vode. 2.

Dimenzije: 271 x 317 piksela, format: jpg. Da biste preuzeli besplatnu fotografiju za lekciju o svijetu oko vas, kliknite desnim tasterom miša na sliku i kliknite na "Sačuvaj sliku kao...". Da biste prikazali fotografije u lekcijama, možete besplatno preuzeti cijelu prezentaciju “Fizička svojstva vode” sa svim fotografijama u zip arhivi. Veličina arhive je 338 KB.

Svojstva vode

“Voda i njena svojstva” - Izreke o vodi. Malkarova Fatima, učenica 2. razreda sa tetkom. Nema potrebe uzalud trošiti vodu. V.A. Sukhomlinsky. Toplota čini da voda proključa. Gdje voda teče, naći će svoj put. Gdje ne pustite vodu, on će pronaći put za sebe. Obično biljke i životinje sadrže više od 50 posto vode po težini. Ciljevi projekta. U martu ima vode, u aprilu trave.

“Svojstva vode nastavu” - Akademski predmet: prirodne nauke. Stanje vode u prirodi. Problematična pitanja. Voda je glavno bogatstvo na svijetu. Voda je izvor života. Teme istraživanja. Bez čega neće biti života na Zemlji? Didaktička svrha. Razvijati znanja o uslovima za transformaciju vode - prelazak iz jednog stanja u drugo.

“Svojstva vode” - Da ne bude nevolje - Ne možemo bez... Može li čovjek živjeti bez vode? Odgovorite na pitanja i zapišite slova sa tačnim odgovorima: 1. Transparentna. Ali takva prijetnja postoji. Voda. Po čemu se prva slika razlikuje od druge? Draw. Lekcija o okolnom svetu 3. razred. Tema lekcije. Bez čega mama ne može da kuva ili pere veš?

“Osobine vode za osnovnu školu” - poprima oblik bilo koje posude. Voda je u gasovitom stanju. Neukusno. Svijet oko nas, 2. razred. Tema lekcije: “Voda”. Nije transparentno. Nema mirisa. Obratite pažnju na svojstva vode. Nema boju. Pogledajte šta je umetnik zaboravio da nacrta? Tvrda voda. Razmislite o posljedicama prikazanih situacija.

“Fizička svojstva vode” - Voda. Voda ima najveći specifični toplotni kapacitet. Supstanca. Struktura leda. Postojanje vode. Dipolni molekuli. Molekularna struktura. Voda je prva među supstancama koje čine ćeliju. Šta znamo o vodi? Specifična toplota smrzavanja. Ice. Promjena gustine vode je također abnormalna.

“Svojstva i značenje vode” - U dvorištu je gužva. Solvent. Uspio sam se izbiti iz zemlje. Ne idem nigde. Boja. Voda "proizvodi" električnu struju. Voda. Svojstva i značenje vode. Najveći i najpovoljniji put. Hiljade ribarskih brodova. Naše ruke su prekrivene lakom. Clean drop. Ne možete mesiti testo za hleb bez vode. Fluidnost. Svjetluca u letu.

Ukupno ima 8 prezentacija

dr.sc.

MODERAN VODENI MODEL

Ako napravimo kratak izlet u školski predmet hemije, sjetimo se da dva elektronska para formiraju polarne kovalentne veze između atoma vodika i kisika, a preostala dva elektronska para ostaju slobodna i nazivaju se unshared. Molekul vode ima ugaonu strukturu, ugao H–O–H je 104,5 stepeni.

Rice. Molekul vode

Budući da atom kisika ima više elektrona (kemičari kažu da je atom kisika elektronegativniji) od atoma vodika, elektroni dva atoma vodika pomiču se prema elektronegativnijem atomu kisika, uzrokujući da se dva pozitivna naboja atoma vodika poništavaju jednaka vrijednost dva atoma vodika s negativnim nabojem na atomu kisika. Stoga, elektronski oblak ima neujednačenu gustinu. Postoji nedostatak elektronske gustine u blizini jezgara vodonika, a na suprotnoj strani molekula, u blizini jezgra kiseonika, postoji višak elektronske gustine. To dovodi do toga da je molekula vode mali dipol koji sadrži pozitivne i negativne naboje na polovima. Upravo ta struktura određuje polaritet molekula vode. Ako epicentre pozitivnih i negativnih naboja povežete ravnim linijama, dobit ćete trodimenzionalni geometrijski lik - pravilni tetraedar. Ali takav tetraedar je samo prvi osnovni nivo strukture vode.

Rice. Struktura molekula vode: a) ugaona; b) lopta; c) tetraedarski

Drugi nivo hemijske organizacije vode određen je sposobnošću vodenih tetraedara da formiraju posebne veze, nazvane vodonične veze, koje povezuju pojedinačne molekule jedni s drugima u saradnike.

Vodikova veza je od globalnog značaja u hemiji međumolekularnih interakcija i uzrokovana je uglavnom slabim elektrostatičkim silama i uticajima. Nastaje kada elektronima osiromašen atom vodika jedne molekule vode stupi u interakciju s usamljenim elektronskim parom atoma kisika susjedne molekule vode.

https://pandia.ru/text/78/208/images/image004_14.jpg" width="487" height="385">

Rice. Svaki molekul vode je sposoban da formira vodonične veze sa četiri susjedna molekula

U kristalnoj strukturi leda, svaki molekul učestvuje u 4 vodonične veze usmjerene prema vrhovima tetraedra. U središtu ovog tetraedra nalazi se atom kisika, na dva vrha nalazi se atom vodika, čiji elektroni sudjeluju u stvaranju kovalentne veze s kisikom. Dva preostala vrha zauzimaju parovi valentnih elektrona kiseonika, koji ne učestvuju u formiranju intramolekularnih veza.

Rice . Vodikove veze u kristalnoj rešetki leda

Za razliku od leda, u tečnoj vodi vodonične veze se lako kidaju i brzo se reformišu, čineći strukturu vode izuzetno varijabilnom. Zahvaljujući ovim vezama jedinstveni vodeni asocijaciji – njeni strukturni elementi – kontinuirano nastaju u pojedinačnim mikrovolumenima vode. Sve to dovodi do heterogenosti u strukturi vode.

Whiting je bio prvi koji je predložio ideju da je voda heterogena po strukturi 1884. Njegovo autorstvo citira se u monografiji „Priroda vode. Teška voda”, objavljena 1935. Nakon njega pojavila su se mnoga djela u kojima se voda smatra mješavinom suradnika različitog sastava („hidrola“).

Kada je 1920-ih utvrđena struktura leda, pokazalo se da molekuli vode u kristalnom stanju formiraju trodimenzionalnu kontinuiranu mrežu u kojoj svaki molekul ima četiri najbliža susjeda smještena na vrhovima pravilnog tetraedra. J. Bernal i P. Fowler su 1933. godine sugerirali da slična mreža postoji u tekućoj vodi. Budući da je voda gušća od leda, vjerovali su da su molekuli u njoj raspoređeni drugačije od onih u ledu, odnosno kao atomi silicija u mineralu tridimit, ali baš kao i atomi silicija u gušćoj modifikaciji silicijum dioksida - kvarc. Povećanje gustine vode pri zagrijavanju od 0 do 4°C objašnjeno je prisustvom tridimitne komponente na niskim temperaturama. Tako je Bernal-Fowlerov model zadržao element dvostrukture, ali je njihovo glavno dostignuće bila ideja o kontinuiranoj tetraedarskoj mreži. Tada se pojavio čuveni aforizam I. Langmuira: “Okean je jedan veliki molekul.”

Tek 1951. stvorio je J. Pople model kontinuirane mreže, koji nije bio tako specifičan kao Bernal-Fowlerov model. Pople je zamišljao vodu kao nasumične tetraedarske mreže, veze između molekula u kojima su zakrivljene i različite dužine. Popleov model objašnjava zbijanje vode tokom topljenja savijanjem veza. Kada su se prve definicije strukture pojavile 60-70-ih godina led II I IX, Postalo je jasno kako savijanje veza može dovesti do zbijanja strukture. Popleov model nije mogao objasniti nemonotonsku ovisnost svojstava vode o temperaturi i pritisku, kao ni modeli s dva stanja. Stoga su mnogi naučnici dugo vremena dijelili ideju o dvije države.

Rice. Model kontinualne mreže

U drugoj polovini 20. veka, pored „ kontinuum“modeli (Popleov model), pojavile su se dvije grupe “mješovitih” modela: klaster I klatrat e. U prvoj grupi voda se pojavila u obliku klastera molekula povezanih vodikovim vezama, koji su plutali u moru molekula koji nisu uključeni u takve veze. Modeli druge grupe su vodu smatrali kontinuiranom mrežom vodoničnih veza – okvirom koji sadrži praznine; sadrže molekule koji ne stvaraju veze s molekulima okvira.

Među klaster modeli Najupečatljiviji model bio je model G. Nemetija i H. Scheraga, slike koje su predložili, na kojima su prikazane nakupine vezanih molekula koje plutaju u moru nevezanih molekula, bile su uključene u mnoge monografije.

Drugi model vode, koji su 1957. godine predložili Freck i Wen, je model treperećeg klastera. Ovaj model je vrlo blizak modernim idejama o strukturi vode. U ovom modelu, vodonične veze u vodi se kontinuirano formiraju i prekidaju, a ovi procesi se odvijaju kooperativno unutar kratkotrajnih grupa molekula vode koje se nazivaju "svjetlucavi klasteri". Njihov životni vijek se procjenjuje u rasponu od 10-10 do 10-11 s. Ova ideja uvjerljivo objašnjava visok stepen pokretljivosti tekuće vode i njen niski viskozitet. Vjeruje se da zbog ovih svojstava voda služi kao jedno od najuniverzalnijih otapala.

DIV_ADBLOCK567">

2002. godine, grupa dr. Head-Gordona, koristeći analizu difrakcije rendgenskih zraka uz korištenje ultra-moćnog naprednog izvora svjetlosti (ALS), uspjela je pokazati da su molekuli vode sposobne da formiraju strukture putem vodoničnih veza – „pravih građevnih blokova“ vode, koji su topološki lanci i prstenovi od mnogih molekula vode. Tumačeći dobijene eksperimentalne podatke, istraživači ih smatraju prilično dugovječnim strukturnim elementima. U osnovi, voda je skup nasumičnih polimera i hipotetičkih „kristala vode“ (za koje se pretpostavlja da postoje u otopljenoj vodi), gdje broj molekula vezanih za vodonik može doseći stotine, pa čak i hiljade jedinica.

„Kristali vode“ mogu imati različite oblike, kako prostorne tako i dvodimenzionalne (u obliku prstenastih struktura). U srcu svega je tetraedar. To je upravo oblik molekule vode. Kada se grupišu, tetraedri molekula vode formiraju različite prostorne i planarne strukture. A od sve raznolikosti struktura u prirodi, osnovna je heksagonalna (šestostrana) struktura, kada je šest molekula vode (tetraedra) spojeno u prsten. Ova vrsta strukture je tipična za led, snijeg i otopljenu vodu.

Rice. 1. Kristalna struktura leda

Kada se led topi, njegova tetragonalna struktura se uništava i formira se mješavina klastera, koja se sastoji od tri-, tetra-, penta- i heksamera vode i slobodnih molekula vode. Šematski se ovaj proces može zamisliti na sljedeći način.

Rice . Struktura tekuće vode. U vodi se grozdovi povremeno kolabiraju i ponovo formiraju. Vrijeme skoka je 10-12 sekundi.

Pokazalo se da je prilično teško proučiti strukturu ovih nastalih saradnika, budući da je voda mješavina različitih polimera koji su međusobno u ravnoteži. Sudarajući se jedni s drugima, polimeri se pretvaraju jedan u drugi, raspadaju se i ponovo formiraju.

Takođe je gotovo nemoguće odvojiti ovu mješavinu na pojedinačne komponente. Tek 1993. godine grupa istraživača sa Univerziteta u Kaliforniji (Berkeley, SAD) pod vodstvom dr. R. J. Saikallija dešifrirala je strukturu vodenog trimera, 1996. godine - tetramera i pentamera, a potom i vodenog heksamera. Do tada je već utvrđeno da se tekuća voda sastoji od polimernih asocijacija (klastera) koji sadrže od tri do šest molekula vode.

Pokazalo se da je struktura heksamera složenija. Najjednostavnija struktura - šest molekula vode na vrhovima šesterokuta - ispostavilo se da nije tako jaka kao struktura ćelije. Štoviše, strukture prizme, otvorene knjige ili čamca također su se pokazale manje stabilnima. Šestokut može imati samo šest vodoničnih veza, ali eksperimentalni dokazi sugeriraju da ih ima osam. To znači da su četiri molekula vode povezana unakrsnim vodikovim vezama.

Strukture klastera vode su teoretski pronađene. Današnja računarska tehnologija to omogućava. Stanislav Zenin je 1999. godine zajedno sa B. Polanuerom (sada u SAD) sproveo istraživanje vode na Državnom istraživačkom institutu za genetiku, koje je dalo zanimljive rezultate. Koristeći savremene metode analize - refraktometriju, protonsku rezonancu i tečnu hromatografiju, uspjeli su da otkriju saradnike molekula vode - klastere.

Ri With. Mogući klasteri vode

Kombinacijom jedni s drugima, klasteri mogu formirati složenije strukture:

https://pandia.ru/text/78/208/images/image016_2.gif" width="200" height="520 src=">

Rice. Formiranje klastera od 20 molekula vode.

Analizirajući dobijene podatke, on je predložio da je voda hijerarhija pravilnih volumetrijskih struktura “saradnika” (klatrata), koji se zasnivaju na kristalnom “kvantu vode” koji se sastoji od 57 njenih molekula koji međusobno komuniciraju putem slobodnog vodika. obveznice. U ovom slučaju, 57 molekula vode (kvanta) formira strukturu koja liči na tetraedar. Tetraedar se pak sastoji od 4 dodekaedra (pravilne 12-strane površine). 16 kvanta formira strukturni element koji se sastoji od 912 molekula vode. Voda se sastoji od 80% takvih elemenata, 15% tetraedarskih kvanta i 3% klasičnih molekula H2O. Dakle, struktura vode je povezana sa takozvanim Platonovim čvrstim materijama (tetraedar, dodekaedar), čiji je oblik povezan sa zlatnim rezom. Jezgro kiseonika takođe ima oblik Platonove čvrste supstance (tetraedra).

Jedinična ćelija vode je tetraedar koji sadrži četiri (jednostavan tetraedar) ili pet molekula H2O (tetraedar usredsređen na telo) međusobno povezanih vodoničnim vezama.

https://pandia.ru/text/78/208/images/image019_4.jpg" width="621" height="608 src=">

Rice. Dodecahedron

Tako se u vodi pojavljuju brojni klasteri, koji nose vrlo visoku energiju i informacije izuzetno velike gustine. Redni broj takvih vodenih struktura je jednak broju kristala (najviše uređena struktura za koju znamo), zbog čega se nazivaju i "tečni kristali" ili "kristalna voda". “Kvanti vode” mogu međusobno komunicirati zbog slobodnih vodoničnih veza koje svojim ivicama strše van iz vrhova “kvanta”. U ovom slučaju moguće je formiranje dva tipa struktura drugog reda. Njihova međusobna interakcija dovodi do pojave struktura višeg reda. Potonji se sastoje od 912 molekula vode, koje su, prema Zeninovom modelu, praktički nesposobne za interakciju zbog stvaranja vodikovih veza. Ovo objašnjava, na primjer, visoku fluidnost tečnosti koja se sastoji od ogromnih polimera. Dakle, vodeni medij je poput hijerarhijski organiziranog tekućeg kristala.

Rice. Formiranje zasebnog klastera vode (kompjutersko modeliranje)

Promjena položaja jednog strukturnog elementa u ovom kristalu pod utjecajem bilo kojeg vanjskog faktora ili promjena orijentacije okolnih elemenata pod utjecajem dodanih supstanci osiguravaju, prema Zeninovoj hipotezi, visoku osjetljivost informacionog sistema vode. Ako stepen poremećaja strukturnih elemenata nije dovoljan da se kompletna struktura vode preuredi u datom volumenu, onda se nakon uklanjanja poremećaja sistem vraća u prvobitno stanje nakon 30-40 minuta. Ako se rekodiranje, tj. prijelaz na drugačiji relativni raspored strukturnih elemenata vode pokaže energetski povoljnim, tada novo stanje odražava učinak kodiranja tvari koja je uzrokovala ovo restrukturiranje [Zenin, 1994]. Ovaj model omogućava Zeninu da objasni “pamćenje vode” i njena informacijska svojstva [Zenin, 1997].

dr.sc.

Reference:

. Napredak u fizičkoj hemiji, 2001

, . Eksperimentalni dokaz prisustva vodenih frakcija. G. Homeopatska medicina i akupunktura. 1997.No.2.P.42-46.

, . Hidrofobni model strukture suradnika molekula vode. J. Phys. Chemistry.1994.T.68.No.4.P.636-641.

Proučavanje strukture vode metodom protonske magnetne rezonancije. Dokl. RAS.1993.T.332.No.3.S.328-329.

, . Priroda hidrofobne interakcije. Pojava orijentacijskih polja u vodenim rastvorima. J. Phys. Chemistry.1994.T.68.No.3.P.500-503.

, . Proučavanje intramolekularnih interakcija u nukleotidamidima korištenjem NMR. Materijali 2. svesavezne konf. Po dinamici Stereochemistry. Odessa.1975.p.53.

U molekuli vode glavni lik je atom kiseonika.

Budući da se atomi vodonika primjetno odbijaju, ugao između kemijskih veza (linija koje povezuju jezgra atoma) vodonik - kisik nije ravan (90°), već je nešto veći - 104,5°.

Hemijske veze u molekuli vode su polarne, jer kisik privlači negativno nabijene elektrone, a vodik pozitivno nabijene elektrone. Kao rezultat toga, višak negativnog naboja se akumulira u blizini atoma kisika, a pozitivan naboj se nakuplja u blizini atoma vodika.

Dakle, čitava molekula vode je dipol, odnosno molekul sa dva suprotna pola. Dipolna struktura molekule vode u velikoj mjeri određuje njena neobična svojstva.

Molekul vode je dijamagnetski materijal.

Ako epicentre pozitivnih i negativnih naboja povežete ravnim linijama, dobit ćete trodimenzionalni geometrijski lik - tetraedar. Ovo je struktura same molekule vode.

Kada se stanje molekule vode promijeni, u tetraedru se mijenjaju dužina stranica i ugao između njih.

Na primjer, ako je molekul vode u stanju pare, tada je ugao koji formiraju njegove strane 104°27". U stanju vode, ugao je 105°03". A u stanju leda ugao je 109,5°.

Geometrija i dimenzije molekule vode za različita stanja
a - za stanje pare
b - za najniži nivo vibracija
c - za nivo blizu formiranja ledenog kristala, kada geometrija molekule vode odgovara geometriji dva egipatska trokuta sa omjerom stranica 3:4:5
g - za stanje leda.

Ako ove uglove podijelimo na pola, dobićemo uglove:
104°27": 2 = 52°13",
105°03": 2 = 52°31",
106°16": 2 = 53°08",
109,5°: 2 = 54°32".

To znači da se među geometrijskim uzorcima molekula vode i leda nalazi čuveni egipatski trokut čija se konstrukcija zasniva na odnosima zlatne proporcije - dužine stranica su u omjeru 3:4:5 s uglom. od 53°08".

Molekul vode dobija strukturu zlatnog omjera usput kada se voda pretvara u led, i obrnuto kada se led topi. Očigledno, otopljena voda je cijenjena za ovo stanje, kada njena struktura u konstrukciji ima proporcije zlatnog presjeka.

Sada postaje jasno da je čuveni egipatski trougao sa omjerom 3:4:5 "uzet" iz jednog od stanja molekula vode. Samu geometriju molekule vode čine dva egipatska pravougla trougla, čija je zajednička kraka jednaka 3.

Molekul vode, zasnovan na zlatnom rezu, fizička je manifestacija Božanske prirode, koja učestvuje u stvaranju života. Zato zemaljska priroda sadrži harmoniju koja je svojstvena čitavom kosmosu.

I stoga su stari Egipćani obogotvorili brojeve 3, 4, 5, a sam trokut smatrali su svetim i pokušali su ugraditi njegova svojstva, njegov sklad u bilo koju strukturu, kuće, piramide, pa čak i u označavanje polja. Inače, ukrajinske kolibe su takođe građene po zlatnom rezu.

U svemiru, molekula vode zauzima određeni volumen i prekrivena je elektronskom ljuskom u obliku vela. Ako zamislite hipotetički model molekule u ravni, on izgleda kao krila leptira, kao hromozom u obliku slova X u kojem je upisan životni program živog bića. A to je indikativna činjenica da je sama voda bitan element svih živih bića.

Ako zamislite izgled hipotetičkog modela molekule vode u zapremini, onda on prenosi oblik trokutaste piramide, koja ima 4 lica, a svako lice ima 3 ivice. U geometriji se trouglasta piramida naziva tetraedar. Ova struktura je karakteristična za kristale.

Tako molekula vode formira jaku ugaonu strukturu, koju zadržava čak i kada je u stanju pare, na ivici da postane led, i kada se pretvori u led.

Ako je "kostur" molekule vode toliko stabilan, onda i njegova energetska "piramida" - tetraedar - stoji nepokolebljivo.

Ovakva strukturna svojstva molekula vode u različitim uslovima objašnjavaju se jakim vezama između dva atoma vodika i jednog atoma kiseonika. Ova veza je otprilike 25 puta jača od veze između susjednih molekula vode. Stoga je lakše odvojiti jednu molekulu vode od druge, na primjer, zagrijavanjem, nego uništiti samu molekulu vode.

Zbog orijentacijskih, induktivnih, disperzijskih interakcija (van der Waalsove sile) i vodikovih veza između atoma vodika i kisika susjednih molekula, molekule vode mogu se formirati kao nasumični asociati, tj. nemaju uređenu strukturu, a klasteri su saradnici koji imaju određenu strukturu.

Prema statistikama, u običnoj vodi ima nasumičnih saradnika - 60% (destrukturirana voda) i klastera - 40% (strukturirana voda).

Kao rezultat istraživanja koje je proveo ruski naučnik S.V. Zenin, otkriveni su stabilni, dugovječni klasteri vode.

Zenin je otkrio da molekuli vode u početku formiraju dodekaedar. Četiri dodekaedra se kombinuju i formiraju glavni strukturni element vode - klaster koji se sastoji od 57 molekula vode.

U grupi, dodekaedri imaju zajednička lica, a njihovi centri formiraju pravilan tetraedar. Ovo je volumetrijski spoj molekula vode, uključujući heksamere, koji ima pozitivne i negativne polove.

Vodikovi mostovi omogućavaju molekulama vode da se spoje na različite načine. Zbog toga postoji beskonačna raznolikost klastera u vodi.

Klasteri mogu međusobno komunicirati zahvaljujući slobodnim vodikovim vezama, što dovodi do pojave struktura drugog reda u obliku heksaedara. Sastoje se od 912 molekula vode, koje su praktično nesposobne za interakciju. Životni vijek takve strukture je vrlo dug.

Ovu strukturu, sličnu malom oštrom kristalu leda sa 6 rombičnih lica, stvorio je S.V. Zenin ga je nazvao "glavnim strukturnim elementom vode". Brojni eksperimenti su potvrdili da u vodi ima bezbroj takvih kristala.

Ovi kristali leda jedva stupaju u interakciju jedni s drugima, stoga ne formiraju složenije stabilne strukture i lako klize jedna u odnosu na drugu, stvarajući fluidnost. U tom smislu voda liči na prehlađenu otopinu koja ne može kristalizirati.