Jis yra agregacijos būsenoje, kuri kambario temperatūroje yra dujinė arba skysta. Ledo savybės pradėtos tyrinėti prieš šimtus metų. Maždaug prieš du šimtus metų mokslininkai atrado, kad vanduo nėra paprastas junginys, o sudėtingas cheminis elementas, susidedantis iš deguonies ir vandenilio. Po atradimo vandens formulė tapo H2O.

Ledo struktūra

H 2 O susideda iš dviejų vandenilio atomų ir vieno deguonies atomo. Ramioje būsenoje vandenilis yra deguonies atomo viršūnėse. Deguonies ir vandenilio jonai turėtų užimti lygiašonio trikampio viršūnes: deguonis yra stačiojo kampo viršūnėje. Tokia vandens struktūra vadinama dipoliu.

Ledą sudaro 11,2% vandenilio, o likusi dalis yra deguonis. Ledo savybės priklauso nuo jo cheminės struktūros. Kartais jame yra dujinių ar mechaninių darinių – priemaišų.

Ledas gamtoje randamas kelių kristalinių rūšių pavidalu, kurios stabiliai išlaiko savo struktūrą nuo nulio ir žemesnėje temperatūroje, tačiau esant nuliui ir aukštesnei temperatūrai, jis pradeda tirpti.

Kristalinė struktūra

Ledo, sniego ir garų savybės yra visiškai skirtingos ir priklauso nuo Kietoje būsenoje H 2 O yra apsuptas keturių molekulių, esančių tetraedro kampuose. Kadangi koordinavimo skaičius mažas, ledas gali turėti ažūrinę struktūrą. Tai atsispindi ledo savybėse ir jo tankyje.

Ledo formos

Ledas yra gamtoje paplitusi medžiaga. Žemėje yra šios veislės:

• upė;
• ežeras;
• jūrinis;
• firn;
• ledynas;
• žemės.

Yra ledas, kuris susidaro tiesiogiai sublimacijos būdu, t.y. nuo garų būsenos. Ši išvaizda įgauna skeleto formą (mes jas vadiname snaigėmis) ir dendritinio bei skeleto augimo sankaupas (šerkšnas, šerkšnas).

Viena iš labiausiai paplitusių formų yra stalaktitai, ty varvekliai. Jie auga visame pasaulyje: Žemės paviršiuje, urvuose. Šio tipo ledas susidaro vandens lašelių srautui esant maždaug nuliui laipsnių temperatūros skirtumui rudens-pavasario laikotarpiu.

Ledo juostų pavidalo dariniai, atsirandantys palei rezervuarų kraštus, ties vandens ir oro riba, taip pat palei balų kraštą, vadinami ledo bankais.

Ledas gali susidaryti akytose dirvose pluoštinių gyslų pavidalu.

Ledo savybės

Medžiaga gali būti įvairių būsenų. Remiantis tuo, kyla klausimas: kokia ledo savybė pasireiškia toje ar kitoje būsenoje?

Mokslininkai išskiria fizines ir mechanines savybes. Kiekvienas iš jų turi savo ypatybes.

Fizinės savybės

Ledo fizinės savybės apima:

1. Tankis. Fizikoje nehomogeniška terpė apibūdinama pačios terpės medžiagos masės ir tūrio, kuriame ji yra, santykio riba. Vandens, kaip ir kitų medžiagų, tankis priklauso nuo temperatūros ir slėgio. Paprastai skaičiavimams naudojamas pastovus vandens tankis, lygus 1000 kg/m3. Į tikslesnį tankio rodiklį atsižvelgiama tik tada, kai reikia atlikti labai tikslius skaičiavimus dėl gaunamo tankio skirtumo rezultato svarbos.
   Skaičiuojant ledo tankį, atsižvelgiama į tai, koks vanduo tapo ledu: kaip žinoma, sūraus vandens tankis yra didesnis nei distiliuoto.
2. Vandens temperatūra. Paprastai atsiranda nulio laipsnių temperatūroje. Užšalimo procesai vyksta su pertraukomis, išsiskiriant šilumai. Atvirkštinis procesas (lydymas) vyksta, kai sugeriamas toks pat šilumos kiekis, kuris buvo išleistas, bet be šuolių, bet palaipsniui.
   Gamtoje yra sąlygų, kuriomis vanduo peršaldomas, tačiau jis neužšąla. Kai kurios upės sulaiko skystą vandenį net esant -2 laipsnių temperatūrai.
3. šilumos kiekis, kuris sugeriamas, kai kūnas šildomas kiekvienu laipsniu. Yra specifinė šiluminė talpa, kuriai būdingas šilumos kiekis, reikalingas kilogramui distiliuoto vandens pašildyti vienu laipsniu.
4. Suspaudžiamumas. Kita fizinė sniego ir ledo savybė yra suspaudžiamumas, kuris turi įtakos tūrio mažėjimui dėl padidėjusio išorinio slėgio. Abipusis dydis vadinamas elastingumu.
5. Ledo stiprumas.
6. Ledo spalva. Ši savybė priklauso nuo šviesos sugerties ir spindulių sklaidos, taip pat nuo priemaišų kiekio užšalusiame vandenyje. Švelnioje mėlynoje šviesoje matomas upių ir ežerų ledas be pašalinių priemaišų. Jūros ledas gali būti visiškai kitoks: mėlynas, žalias, indigo, baltas, rudas arba turėti plieninį atspalvį. Kartais galite pamatyti juodą ledą. Šią spalvą jis įgauna dėl daugybės mineralų ir įvairių organinių priemaišų.

Ledo mechaninės savybės

Ledo ir vandens mechanines savybes lemia jų atsparumas išorinės aplinkos poveikiui ploto vieneto atžvilgiu. Mechaninės savybės priklauso nuo struktūros, druskingumo, temperatūros ir poringumo.

Ledas yra elastingas, klampus, plastiškas darinys, tačiau tam tikromis sąlygomis jis tampa kietas ir labai trapus.

Jūros ledas ir gėlavandenis ledas skiriasi: pirmasis yra daug lankstesnis ir mažiau patvarus.

Praplaukiant laivus reikia atsižvelgti į mechanines ledo savybes. Tai taip pat svarbu naudojant ledo kelius, perėjas ir kt.

Vanduo, sniegas ir ledas turi panašių savybių, kurios lemia medžiagos savybes. Tačiau tuo pačiu metu šiuos rodmenis įtakoja daugelis kitų veiksnių: aplinkos temperatūra, kietosios medžiagos priemaišos, taip pat pradinė skysčio sudėtis. Ledas yra viena įdomiausių medžiagų Žemėje.

Vanduo yra pažįstama ir neįprasta medžiaga. Beveik 3/4 mūsų planetos paviršiaus užima vandenynai ir jūros. Kietas vanduo – sniegas ir ledas – dengia 20 % sausumos. Planetos klimatas priklauso nuo vandens. Geofizikai taip teigia Žemė jau seniai būtų atvėsusi ir pavirtusi negyvu akmens gabalu, jei ne vanduo. Jis turi labai didelę šiluminę galią. Kaitinamas, sugeria šilumą; atvėsęs atiduoda. Žemės vanduo sugeria ir grąžina daug šilumos ir taip „išlygina“ klimatą. O Žemę nuo kosminio šalčio saugo tos vandens molekulės, kurios yra išsibarsčiusios atmosferoje – debesyse ir garų pavidalu.

Vanduo yra pati paslaptingiausia medžiaga gamtoje po DNR, turinčių unikalių savybių, kurios ne tik dar nėra iki galo išaiškintos, bet toli gražu ne visos žinomos. Kuo ilgiau jis tyrinėjamas, tuo daugiau jame randama naujų anomalijų ir paslapčių. Dauguma šių anomalijų, dėl kurių įmanoma gyvybė Žemėje, paaiškinamos vandeniliniais ryšiais tarp vandens molekulių, kurios yra daug stipresnės už van der Waalso traukos jėgas tarp kitų medžiagų molekulių, tačiau yra daug mažesnės nei joninės ir kovalentinės. ryšiai tarp atomų molekulėse. Tie patys vandenilio ryšiai yra ir DNR molekulėje.

Vandens molekulė (H 2 16 O) susideda iš dviejų vandenilio atomų (H) ir vieno deguonies atomo (16 O). Pasirodo, beveik visą vandens savybių įvairovę ir jų pasireiškimo neįprastumą galiausiai lemia fizinė šių atomų prigimtis, jų sujungimo į molekulę būdas ir susidarančių molekulių grupavimas.

Ryžiai. Vandens molekulės sandara . H2O monomero geometrinė diagrama (a), plokščias modelis (b) ir erdvinė elektroninė struktūra (c). Du iš keturių elektronų išoriniame deguonies atomo apvalkale dalyvauja kuriant kovalentinius ryšius su vandenilio atomais, o kiti du sudaro labai pailgas elektronų orbitas, kurių plokštuma yra statmena H-O-H plokštumai.

Vandens molekulė H 2 O yra sudaryta trikampio pavidalu: kampas tarp dviejų deguonies ir vandenilio ryšių yra 104 laipsniai. Bet kadangi abu vandenilio atomai yra toje pačioje deguonies pusėje, jame esantys elektros krūviai yra išsklaidyti. Vandens molekulė yra polinė, todėl jos skirtingų molekulių sąveika yra ypatinga. Vandenilio atomai H 2 O molekulėje, turintys dalinį teigiamą krūvį, sąveikauja su kaimyninių molekulių deguonies atomų elektronais. Ši cheminė jungtis vadinama vandenilio jungtimi. Jis sujungia H 2 O molekules į unikalius erdvinės struktūros junginius; plokštuma, kurioje yra vandenilio ryšiai, yra statmena tos pačios H 2 O molekulės atomų plokštumai Vandens molekulių sąveika pirmiausia paaiškina neįprastai aukštas jo lydymosi ir virimo temperatūras. Vandenilio ryšiams atlaisvinti ir vėliau sunaikinti turi būti tiekiama papildoma energija. Ir ši energija yra labai reikšminga. Štai kodėl vandens šiluminė talpa yra tokia didelė.

Vandens molekulėje yra dvi polinės kovalentinės jungtys H-O. Jie susidaro dėl dviejų vieno elektrono p - deguonies atomo debesų ir vieno elektrono S - dviejų vandenilio atomų debesų persidengimo.

Pagal elektroninę vandenilio ir deguonies atomų struktūrą vandens molekulė turi keturias elektronų poras. Du iš jų dalyvauja formuojant kovalentinius ryšius su dviem vandenilio atomais, t.y. yra privalomi. Kitos dvi elektronų poros yra laisvos – nesurišančios. Jie sudaro elektronų debesį. Debesis yra nevienalytis – jame galima išskirti atskirus kondensatus ir retėjimus.

Vandens molekulė turi keturis polių krūvius: du teigiamus ir du neigiamus. Teigiami krūviai yra sutelkti į vandenilio atomus, nes deguonis yra labiau elektronegatyvus nei vandenilis. Du neigiami poliai yra iš dviejų nesurišančių deguonies elektronų porų.

Deguonies šerdyje susidaro perteklinis elektronų tankis. Vidinė deguonies elektronų pora tolygiai įrėmina branduolį: schematiškai jis pavaizduotas apskritimu su centru - O 2-branduoliu. Keturi išoriniai elektronai yra sugrupuoti į dvi elektronų poras, kurios gravituoja link branduolio, bet iš dalies nėra kompensuojamos. Schematiškai šių porų bendrosios elektronų orbitalės pavaizduotos elipsės, pailgintos nuo bendro centro - O 2 - branduolio, pavidalu. Kiekvienas iš likusių dviejų deguonies elektronų poruojasi su vienu elektronu vandenilyje. Šie garai taip pat gravituoja link deguonies šerdies. Todėl vandenilio branduoliai – protonai – pasirodo kiek pliki, trūksta elektronų tankio.

Taigi vandens molekulėje yra keturi krūvio poliai: du neigiami (perteklinis elektronų tankis deguonies branduolio srityje) ir du teigiami (elektronų tankio trūkumas dviejuose vandenilio branduoliuose). Dėl didesnio aiškumo galime įsivaizduoti, kad poliai užima deformuoto tetraedro viršūnes, kurių centre yra deguonies branduolys.

Ryžiai. Vandens molekulės struktūra: a – kampas tarp O-H ryšių; b – įkrovos stulpų vieta; c – vandens molekulės elektronų debesies atsiradimas.

Beveik sferinė vandens molekulė turi pastebimai ryškų poliškumą, nes joje esantys elektros krūviai išsidėstę asimetriškai. Kiekviena vandens molekulė yra miniatiūrinis dipolis, kurio didelis dipolio momentas yra 1,87 deBy. Debye yra elektrinio dipolio 3,33564·10 30 C·m nesisteminis vienetas. Veikiant vandens dipoliams, į jį panardintos medžiagos paviršiuje esančios tarpatominės arba tarpmolekulinės jėgos susilpnėja 80 kartų. Kitaip tariant, vandens dielektrinė konstanta yra didžiausia – didžiausia iš visų mums žinomų junginių.

Daugiausia dėl to vanduo pasireiškia kaip universalus tirpiklis. Kietosios medžiagos, skysčiai ir dujos vienu ar kitu laipsniu tirpsta.

Vandens savitoji šiluminė talpa yra didžiausia iš visų medžiagų. Be to, jis yra 2 kartus didesnis nei ledo, tuo tarpu daugumos paprastų medžiagų (pavyzdžiui, metalų) šiluminė talpa lydymosi metu praktiškai nekinta, o iš poliatominių molekulių pagamintoms medžiagoms ji paprastai mažėja. lydymosi metu.

Toks molekulės struktūros supratimas leidžia paaiškinti daugelį vandens savybių, ypač ledo struktūrą. Ledo kristalų gardelėje kiekviena molekulė yra apsupta keturių kitų. Plokščiame paveikslėlyje tai gali būti pavaizduota taip:

Ryšys tarp molekulių vyksta per vandenilio atomą. Vienos vandens molekulės teigiamai įkrautas vandenilio atomas pritraukiamas kitos vandens molekulės neigiamai įkrautas deguonies atomas. Ši jungtis vadinama vandenilio jungtimi (ji žymima taškais). Vandenilinės jungties stiprumas yra maždaug 15-20 kartų silpnesnis nei kovalentinio ryšio. Todėl vandenilinė jungtis lengvai nutrūksta, o tai pastebima, pavyzdžiui, vandens garavimo metu.

Ryžiai. kairėje – vandeniliniai ryšiai tarp vandens molekulių

Skysto vandens struktūra primena ledo struktūrą. Skystame vandenyje molekulės taip pat yra sujungtos viena su kita vandeniliniais ryšiais, tačiau vandens struktūra yra ne tokia „kieta“ nei ledo. Dėl molekulių terminio judėjimo vandenyje vieni vandenilio ryšiai nutrūksta, susidaro kiti.

Ryžiai. Ledo kristalinė gardelė. Vandens molekulės H 2 O (juodieji rutuliukai) jo mazguose išsidėstę taip, kad kiekvienas turi keturis „kaimynus“.

Vandens molekulių poliškumas ir iš dalies nekompensuotų elektros krūvių buvimas jose sukelia tendenciją grupuoti molekules į dideles „bendruomenes“ – asocijuotas. Pasirodo, tik vanduo garų būsenoje visiškai atitinka H2O formulę. Tai parodė vandens garų molekulinės masės nustatymo rezultatai. Temperatūros intervale nuo 0 iki 100°C atskirų (monomerinių molekulių) skysto vandens koncentracija neviršija 1%. Visos kitos vandens molekulės yra sujungtos į įvairaus sudėtingumo junginius, o jų sudėtis apibūdinama bendra formule (H 2 O)x.

Tiesioginė asocijuotų junginių susidarymo priežastis yra vandenilio ryšiai tarp vandens molekulių. Jie atsiranda tarp kai kurių molekulių vandenilio branduolių ir kitų vandens molekulių deguonies branduolių elektronų „kondensacijų“. Tiesa, šie ryšiai yra dešimtis kartų silpnesni nei „standartiniai“ intramolekuliniai cheminiai ryšiai, o joms sunaikinti pakanka įprastų molekulinių judesių. Tačiau veikiant šiluminiams virpesiams, taip pat lengvai atsiranda naujų tokio tipo jungčių. Asociacijų atsiradimas ir nykimas gali būti išreikštas tokia diagrama:

x·H 2 O↔ (H 2 O) x

Kadangi kiekvienoje vandens molekulėje esančios elektronų orbitalės sudaro tetraedrinę struktūrą, vandenilio ryšiai gali išdėstyti vandens molekules į tetraedrinius koordinuotus partnerius.

Dauguma tyrinėtojų anomaliai didelę skysto vandens šiluminę talpą aiškina tuo, kad tirpstant ledui jo kristalinė struktūra iš karto nesugriūna. Skystame vandenyje išsaugomi vandeniliniai ryšiai tarp molekulių. Jame likę ledo fragmentai – didelio ar mažesnio vandens molekulių skaičiaus junginiai. Tačiau, skirtingai nei ledas, kiekvienas partneris neegzistuoja ilgai. Vienų sunaikinimas ir kitų bendraminčių formavimasis vyksta nuolat. Esant kiekvienai vandens temperatūros vertei, šiame procese susidaro sava dinaminė pusiausvyra. O kai vanduo šildomas, dalis šilumos išleidžiama asocijuotųjų junginių vandenilio ryšiams nutraukti. Šiuo atveju kiekvienam ryšiui nutraukti išleidžiama 0,26-0,5 eV. Tai paaiškina anomaliai didelę vandens šiluminę talpą, palyginti su kitų vandenilinių jungčių nesudarančių medžiagų lydalomis. Kaitinant tokius lydalus, energija eikvojama tik jų atomų ar molekulių šiluminiams judesiams suteikti. Vandenilio ryšiai tarp vandens molekulių visiškai nutrūksta tik tada, kai vanduo virsta garais. Šio požiūrio teisingumą rodo ir tai, kad vandens garų savitoji šiluminė talpa 100°C temperatūroje praktiškai sutampa su ledo savitoji šiluminė talpa 0°C temperatūroje.

Nuotrauka žemiau:

Elementarus asocijuotojo struktūrinis elementas yra klasteris: Ryžiai. Atskiras hipotetinis vandens klasteris. Atskiri klasteriai sudaro vandens molekulių (H 2 O) junginius x: Ryžiai. Vandens molekulių sankaupos sudaro asocijuotas medžiagas.

Yra ir kitas požiūris į anomaliai didelės vandens šiluminės talpos prigimtį. Profesorius G. N. Zatsepina pažymėjo, kad vandens molinė šiluminė talpa, lygi 18 cal/(molgrad), yra lygi teorinei kietosios medžiagos su triatominiais kristalais molinei šiluminei talpai. O pagal Dulongo ir Petito dėsnį visų chemiškai paprastų (monatominių) kristalinių kūnų atominės šiluminės talpos pakankamai aukštoje temperatūroje yra vienodos ir lygios 6 calDmol o deg). O triatominiams, kurių gramolyje yra 3 N a kristalinės gardelės vietos, – 3 kartus daugiau. (Čia N a yra Avogadro numeris).

Iš to išplaukia, kad vanduo yra tarsi kristalinis kūnas, susidedantis iš triatominių H 2 0 molekulių. Tai atitinka bendrą idėją apie vandenį kaip į kristalą panašių junginių mišinį su nedideliu laisvų H ​​2 O vandens molekulių mišiniu. tarp jų, kurių skaičius didėja didėjant temperatūrai. Šiuo požiūriu stebina ne skysto vandens didelė šiluminė talpa, o maža kieto ledo šiluminė talpa. Vandens savitosios šiluminės talpos sumažėjimas užšalimo metu paaiškinamas tuo, kad kietoje ledo kristalinėje gardelėje nėra skersinių šiluminių atomų virpesių, kur kiekvienas protonas, sukeliantis vandenilio ryšį, turi tik vieną laisvės laipsnį šiluminiams virpesiams, o ne tris. .

Bet dėl ​​ko ir kaip gali įvykti tokie dideli vandens šiluminės talpos pokyčiai be atitinkamų slėgio pokyčių? Norėdami atsakyti į šį klausimą, susitikime su geologijos ir mineralogijos mokslų kandidato J. A. Koliasnikovo hipoteze apie vandens sandarą.

Jis nurodo, kad vandenilinių jungčių atradėjai J. Bernalis ir R. Fowleris 1932 metais skysto vandens struktūrą palygino su kristaline kvarco struktūra, o tie pirmiau minėti asocijuoti junginiai daugiausia yra 4H 2 0 tetramerai, kuriuose yra keturi. Vandens molekulės yra sujungtos į kompaktišką tetraedrą su dvylika vidinių vandenilio jungčių. Dėl to susidaro tetraedras.

Tuo pačiu metu vandenilio ryšiai šiuose tetrameruose gali sudaryti tiek dešiniarankius, tiek kairiarankius sekas, kaip ir plačiai paplitusio kvarco (Si0 2) kristalai, kurie taip pat turi tetraedrinę struktūrą, būna dešiniarankių ir kairiarankių kristalų pavidalų. . Kadangi kiekvienas toks vandens tetrameras taip pat turi keturias nepanaudotas išorines vandenilio jungtis (kaip viena vandens molekulė), tetramerai gali būti sujungti šiais išoriniais ryšiais į tam tikras polimero grandines, pavyzdžiui, DNR molekulę. Ir kadangi yra tik keturi išoriniai ryšiai, o vidinių 3 kartus daugiau, tai leidžia sunkiems ir stipriems tetramerams skystame vandenyje sulenkti, pasukti ir net nutraukti šiuos išorinius vandenilinius ryšius, susilpnėjusius šiluminių virpesių. Tai lemia vandens sklandumą.

Vanduo, pasak Koliasnikovo, turi tokią struktūrą tik skystoje būsenoje ir, galbūt, iš dalies garų būsenoje. Tačiau lede, kurio kristalinė struktūra yra gerai ištirta, tetrahidroliai yra sujungti vienas su kitu nelanksčiais, vienodai stipriais tiesioginiais vandeniliniais ryšiais į ažūrinį rėmą, kuriame yra didelių tuštumų, todėl ledo tankis yra mažesnis už vandens tankį. .

Ryžiai. Ledo kristalinė struktūra: vandens molekulės susijungusios taisyklingais šešiakampiais

Kai ledas tirpsta, kai kurie jame esantys vandenilio ryšiai susilpnėja ir sulinksta, o tai lemia, kad struktūra pertvarkoma į aukščiau aprašytus tetramerus ir skystas vanduo tampa tankesnis nei ledas. Esant 4°C temperatūrai susidaro būsena, kai visi vandenilio ryšiai tarp tetramerų yra maksimaliai sulenkti, o tai lemia didžiausią vandens tankį šioje temperatūroje. Nėra kur jungtis toliau.

Esant aukštesnei nei 4°C temperatūrai, atskiri ryšiai tarp tetramerų pradeda nutrūkti, o 36-37°C temperatūroje nutrūksta pusė išorinių vandenilinių jungčių. Tai nustato vandens savitosios šiluminės talpos ir temperatūros kreivės minimumą. 70°C temperatūroje nutrūksta beveik visos intertetramerinės jungtys, o kartu su laisvais tetramerais vandenyje lieka tik trumpi jų „polimerinių“ grandinių fragmentai. Galiausiai, kai vanduo užverda, įvyksta galutinis dabar atskirų tetramerų plyšimas į atskiras H 2 0 molekules Ir faktas, kad vandens garavimo savitoji šiluma yra lygiai 3 kartus didesnė už ledo tirpimo ir vėlesnio kaitinimo specifinių karščių sumą. vandens iki 100 ° C patvirtina Koliasnikovo prielaidą Apie. kad vidinių ryšių skaičius tetrameryje yra 3 kartus didesnis už išorinių.

Tokią tetraedrinę-spiralinę vandens struktūrą gali lemti senovinis reologinis ryšys su kvarcu ir kitais žemės plutoje vyraujančiais silicio-deguonies mineralais, iš kurių gelmių kadaise Žemėje atsirado vanduo. Kaip mažas druskos kristalas priverčia jį supantį tirpalą kristalizuotis į panašius kristalus, o ne į kitus, taip dėl kvarco vandens molekulės išsirikiavo į tetraedrines struktūras, kurios yra energetiškai palankiausios. O mūsų eroje žemės atmosferoje vandens garai, kondensuodamiesi į lašelius, sudaro tokią struktūrą, nes atmosferoje visada yra mažyčių aerozolinio vandens lašelių, kurie jau turi tokią struktūrą. Jie yra vandens garų kondensacijos atmosferoje centrai. Žemiau pateikiamos galimos grandinės silikato struktūros, pagrįstos tetraedru, kuris taip pat gali būti sudarytas iš vandens tetraedrų.

Ryžiai. Elementarus taisyklingasis silicio-deguonies tetraedras SiO 4 4-.

Ryžiai. Elementarieji silicio-deguonies vienetai-ortogrupės SiO 4 4- Mg-piroksenenstatito struktūroje (a) ir diorto grupės Si 2 O 7 6- Ca-piroksenoido volastonite (b).

Ryžiai. Paprasčiausi salelių silicio-deguonies anijoninių grupių tipai: a-SiO 4, b-Si 2 O 7, c-Si 3 O 9, d-Si 4 O 12, d-Si 6 O 18.

Ryžiai. Žemiau - Svarbiausi silicio-deguonies grandinės anijoninių grupių tipai (pagal Belovą): a-metagermanatas, b - piroksenas, c - batysitas, d-volastonitas, d-vlasovitas, e-melilitas, f-rodonitas, z-piroksmangitas , i-metafosfatas, k - fluorberilatas, l - barilitas.

Ryžiai. žemiau – Pirokseno silicio ir deguonies anijonų kondensacija į korio dviejų eilių amfibolą (a), trijų eilių amfibolą (b), sluoksniuotą talką ir susijusius anijonus (c).

Ryžiai. žemiau - Svarbiausi juostuotų silicio-deguonies grupių tipai (pagal Belovą): a - silimanitas, amfibolas, ksonotlitas; b-epididimitas; β-ortoklazė; g-narsarsukite; prizminis d-fenacitas; e-euklaze inkrustuota.

Ryžiai. dešinėje - Muskovito KAl 2 (AlSi 3 O 10 XOH) 2 sluoksniuotos kristalinės struktūros fragmentas (elementarus paketas), iliustruojantis aliuminio-silicio-deguonies tinklų tarpsluoksnį su daugiakampiais didelių aliuminio ir kalio katijonų sluoksniais, primenančiais DNR grandinė.

Galimi ir kiti vandens struktūros modeliai. Tetraedriniu būdu surištos vandens molekulės sudaro savotiškas gana stabilios sudėties grandines. Tyrėjai atskleidžia vis subtilesnius ir sudėtingesnius vandens masės „vidinės organizacijos“ mechanizmus. Be ledą primenančios struktūros, skysto vandens ir monomerų molekulių, aprašomas ir trečiasis struktūros elementas – netetraedrinis.

Tam tikra vandens molekulių dalis yra susieta ne trimačiais karkasais, o linijinėmis žiedų asociacijomis. Sugrupuoti žiedai sudaro dar sudėtingesnius partnerių kompleksus.

Taigi vanduo teoriškai gali sudaryti grandines, pavyzdžiui, DNR molekulę, kaip bus aptarta toliau. Kitas įdomus šios hipotezės dalykas yra tas, kad ji reiškia vienodą dešiniarankio ir kairiojo vandens egzistavimo tikimybę. Tačiau biologai jau seniai pastebėjo, kad biologiniuose audiniuose ir struktūrose stebimi tik kairiarankiai arba dešiniarankiai dariniai. To pavyzdys – baltymų molekulės, sukurtos tik iš kairiarankių aminorūgščių ir susuktos tik kairiaranke spirale. Tačiau gamtoje esantys cukrūs yra dešiniarankiai. Niekas dar nesugebėjo paaiškinti, kodėl gyvojoje gamtoje vienais atvejais pirmenybė teikiama kairiesiems, o kitais – dešiniesiems. Iš tiesų, negyvojoje gamtoje tiek dešiniarankių, tiek kairiarankių molekulių randama vienoda tikimybe.

Daugiau nei prieš šimtą metų garsus prancūzų gamtininkas Louisas Pasteuras atrado, kad augaluose ir gyvūnuose esantys organiniai junginiai yra optiškai asimetriški – jie sukasi ant jų krintančios šviesos poliarizacijos plokštumą. Visos aminorūgštys, sudarančios gyvūnus ir augalus, sukasi poliarizacijos plokštumą į kairę, o visi cukrūs sukasi į dešinę. Jei sintezuosime tos pačios cheminės sudėties junginius, kiekviename iš jų bus vienodas kairiarankių ir dešiniųjų molekulių skaičius.

Kaip žinote, visi gyvi organizmai susideda iš baltymų, o jie, savo ruožtu, yra pagaminti iš aminorūgščių. Derindamos viena su kita įvairiomis sekomis, aminorūgštys sudaro ilgas peptidines grandines, kurios spontaniškai „susisuka“ į sudėtingas baltymų molekules. Kaip ir daugelis kitų organinių junginių, aminorūgštys turi chiralinę simetriją (iš graikų kalbos chiros - ranka), tai yra, jos gali egzistuoti dviem veidrodiškai simetriškomis formomis, vadinamomis „enantiomerais“. Tokios molekulės yra panašios viena į kitą, kaip ir kairioji bei dešinioji ranka, todėl vadinamos D- ir L-molekulėmis (iš lot. dexter, laevus – dešinė ir kairė).

Dabar įsivaizduokime, kad terpė su kairiąja ir dešine molekulėmis perėjo į būseną, kurioje yra tik kairioji arba tik dešinė molekulės. Ekspertai tokią aplinką vadina chiraliniu būdu (iš graikiško žodžio „cheira“ – ranka) sutvarkyta. Gyvų būtybių savaiminis dauginimasis (biopoezė – kaip apibrėžė D. Bernalis) galėjo atsirasti ir būti palaikomas tik tokioje aplinkoje.

Ryžiai. Veidrodinė simetrija gamtoje

Kitas enantiomerų molekulių pavadinimas – „į dešinę“ ir „kairėn sukantis“ – kilęs iš jų gebėjimo pasukti šviesos poliarizacijos plokštumą skirtingomis kryptimis. Jei pro tokių molekulių tirpalą praleidžiama tiesiškai poliarizuota šviesa, jos poliarizacijos plokštuma sukasi: pagal laikrodžio rodyklę, jei tirpale esančios molekulės yra dešiniarankės, ir prieš laikrodžio rodyklę, jei tirpale esančios molekulės yra kairiarankės. Ir vienodo kiekio D ir L formų mišinyje (vadinamų „racematu“), šviesa išsaugos pradinę tiesinę poliarizaciją. Šią optinę chiralinių molekulių savybę pirmą kartą atrado Louisas Pasteuras 1848 m.

Įdomu tai, kad beveik visi natūralūs baltymai susideda tik iš kairiarankių aminorūgščių. Šis faktas dar labiau stebina, nes aminorūgščių sintezė laboratorinėmis sąlygomis sukuria maždaug tiek pat dešiniarankių ir kairiarankių molekulių. Pasirodo, šią savybę turi ne tik aminorūgštys, bet ir daugelis kitų gyvoms sistemoms svarbių medžiagų, kurių kiekviena turi griežtai apibrėžtą veidrodinės simetrijos požymį visoje biosferoje. Pavyzdžiui, cukrų, kurie yra daugelio nukleotidų dalis, taip pat nukleino rūgščių DNR ir RNR, organizme atstovauja tik dešiniarankės D-molekulės. Nors „veidrodinių antipodų“ fizinės ir cheminės savybės yra vienodos, jų fiziologinis aktyvumas organizmuose yra skirtingas: L-kaksaros nėra absorbuojamos, L-fenilalaninas, skirtingai nei jo nekenksmingos D-molekulės, sukelia psichines ligas ir kt.

Remiantis šiuolaikinėmis idėjomis apie gyvybės kilmę Žemėje, tam tikro tipo veidrodinės simetrijos pasirinkimas organinėmis molekulėmis buvo pagrindinė jų išlikimo ir vėlesnio savęs dauginimosi sąlyga. Tačiau klausimas, kaip ir kodėl įvyko vieno ar kito veidrodinio antipodo evoliucinė atranka, vis dar išlieka viena didžiausių mokslo paslapčių.

Sovietų mokslininkas L. L. Morozovas įrodė, kad perėjimas prie chiralinės tvarkos negali įvykti evoliuciškai, o tik su tam tikru staigiu fazės pasikeitimu. Akademikas V.I. Goldansky šį perėjimą, kurio dėka atsirado gyvybė Žemėje, pavadino chiraline katastrofa.

Kaip susidarė sąlygos fazinei katastrofai, sukėlusiai chiralinį perėjimą?

Svarbiausia buvo tai, kad organiniai junginiai išsilydo 800-1000 0C temperatūroje žemės plutoje, o viršutiniai atvėso iki erdvės temperatūros, tai yra absoliutaus nulio. Temperatūros skirtumas siekė 1000 °C. Tokiomis sąlygomis organinės molekulės, veikiamos aukštai temperatūrai, išsilydo ir net buvo visiškai sunaikintos, o viršus liko šaltas, nes organinės molekulės buvo užšalusios. Iš žemės plutos nutekėjusios dujos ir vandens garai pakeitė organinių junginių cheminę sudėtį. Dujos nešė šilumą, todėl organinio sluoksnio lydymosi temperatūra judėjo aukštyn ir žemyn, sukurdama gradientą.

Esant labai žemam atmosferos slėgiui, vanduo žemės paviršiuje buvo tik garų ir ledo pavidalu. Kai slėgis pasiekė vadinamąjį trigubą vandens tašką (0,006 atmosferos), vanduo pirmą kartą galėjo egzistuoti skysčio pavidalu.

Žinoma, tik eksperimentiškai galima įrodyti, kas tiksliai sukėlė chiralinį perėjimą: antžeminės ar kosminės priežastys. Tačiau vienaip ar kitaip, tam tikru momentu chiraliniu būdu išdėstytos molekulės (būtent kairėn besisukančios aminorūgštys ir dešinėn sukantys cukrūs) pasirodė esančios stabilesnės ir prasidėjo nesustabdomas jų skaičiaus didėjimas – chiralinis perėjimas.

Planetos kronika taip pat pasakoja, kad tuo metu Žemėje nebuvo nei kalnų, nei įdubų. Pusiau išlydyta granitinė pluta paviršius buvo toks pat lygus kaip šiuolaikinio vandenyno lygis. Tačiau šioje lygumoje vis dar buvo įdubimų dėl netolygaus masių pasiskirstymo Žemėje. Šie sumažinimai suvaidino nepaprastai svarbų vaidmenį.

Faktas yra tas, kad šimtų ir net tūkstančių kilometrų skersmens ir ne daugiau kaip šimto metrų gylio plokščiadugnės įdubos tikriausiai tapo gyvybės lopšiu. Juk į juos tekėjo planetos paviršiuje susirinkęs vanduo. Vanduo atskiedė pelenų sluoksnyje esančius chiralinius organinius junginius. Pamažu keitėsi junginio cheminė sudėtis, stabilizavosi temperatūra. Bevandenėmis sąlygomis prasidėjęs perėjimas iš negyvojo į gyvą tęsėsi vandens aplinkoje.

Ar tai gyvybės atsiradimo siužetas? Greičiausiai taip. 3,8 milijardo metų senumo Isua (Vakarų Grenlandija) geologiniame pjūvyje rasta į benziną ir naftą panašių junginių, kurių C12/C13 izotopų santykis būdingas fotosintezės kilmės anglies.

Jei patvirtinama Isua skyriaus anglies junginių biologinė prigimtis, paaiškėja, kad visas gyvybės atsiradimo Žemėje laikotarpis - nuo chiralinės organinės medžiagos atsiradimo iki ląstelės, galinčios fotosintezuoti ir daugintis, atsiradimo. baigta tik per šimtą milijonų metų. O vandens molekulės ir DNR šiame procese vaidino didžiulį vaidmenį.

Nuostabiausia vandens struktūra yra tai, kad vandens molekulės, esančios žemoje neigiamoje temperatūroje ir esant dideliam slėgiui nanovamzdelių viduje, gali kristalizuotis į dvigubos spiralės formą, primenančią DNR. Tai įrodė Amerikos mokslininkų, vadovaujamų Xiao Cheng Zeng Nebraskos universitete (JAV), kompiuteriniai eksperimentai.

DNR yra dviguba grandinė, susukta į spiralę. Kiekvienas siūlas susideda iš „plytų“ - nuosekliai sujungtų nukleotidų. Kiekviename DNR nukleotide yra viena iš keturių azoto bazių – guaninas (G), adeninas (A) (purinai), timinas (T) ir citozinas (C) (pirimidinai), susiję su dezoksiriboze, o pastaroji, savo ruožtu, yra fosfatas. grupė pridedama. Kaimyniniai nukleotidai yra sujungti vienas su kitu grandine fosfodiesterio ryšiu, sudarytu iš 3"-hidroksilo (3"-OH) ir 5"-fosfato grupių (5"-PO3). Ši savybė lemia poliškumo buvimą DNR, t.y. priešingomis kryptimis, būtent 5" ir 3" galai: vieno sriegio 5" galas atitinka antrojo sriegio 3" galą. Nukleotidų seka leidžia „užkoduoti“ informaciją apie įvairius RNR tipus, iš kurių svarbiausi yra pasiuntiniai arba šablonai (mRNR), ribosominiai (rRNR) ir transportiniai (tRNR). Visi šie RNR tipai yra sintetinami DNR šablone, kopijuojant DNR seką į transkripcijos metu susintetintą RNR seką ir dalyvauja svarbiausiame gyvenimo procese – informacijos perdavimas ir kopijavimas (vertimas).

Pirminė DNR struktūra yra linijinė DNR nukleotidų seka grandinėje. Nukleotidų seka DNR grandinėje rašoma raidės DNR formulės forma: pavyzdžiui - AGTCATGCCAG, įrašas daromas nuo 5" iki 3" DNR grandinės galo.

Antrinė DNR struktūra susidaro dėl nukleotidų (dažniausiai azoto bazių) sąveikos tarpusavyje, vandenilinių ryšių. Klasikinis DNR antrinės struktūros pavyzdys yra DNR dviguba spiralė. DNR dviguba spiralė yra labiausiai paplitusi DNR forma gamtoje, susidedanti iš dviejų DNR polinukleotidų grandinių. Kiekvienos naujos DNR grandinės konstravimas vykdomas pagal komplementarumo principą, t.y. Kiekviena vienos DNR grandinės azotinė bazė atitinka griežtai apibrėžtą kitos grandinės bazę: komplementarioje poroje priešinga A yra T, o priešinga G yra C ir kt.

Kad vanduo sudarytų tokią spiralę, kaip šis, imituojamo eksperimento metu jis buvo „padėtas“ į nanovamzdelius esant aukštam slėgiui, skirtinguose eksperimentuose svyruojant nuo 10 iki 40 000 atmosferų. Po to buvo nustatyta temperatūra, kurios vertė buvo -23°C. Skirtumas, lyginant su vandens užšalimo tašku, buvo padarytas dėl to, kad didėjant slėgiui vandens ledo lydymosi temperatūra mažėja. Nanovamzdelių skersmuo svyravo nuo 1,35 iki 1,90 nm.

Ryžiai. Bendras vandens struktūros vaizdas (New Scientist vaizdas)

Vandens molekulės yra sujungtos viena su kita vandeniliniais ryšiais, atstumas tarp deguonies ir vandenilio atomų yra 96 ​​pm, o tarp dviejų vandenilių – 150 pm. Kietoje būsenoje deguonies atomas dalyvauja formuojant dvi vandenilio jungtis su kaimyninėmis vandens molekulėmis. Šiuo atveju atskiros H 2 O molekulės kontaktuoja viena su kita priešingais poliais. Taigi susidaro sluoksniai, kuriuose kiekviena molekulė yra susieta su trimis savo sluoksnio molekulėmis ir viena iš gretimo. Dėl to ledo kristalinė struktūra susideda iš šešiakampių „vamzdžių“, sujungtų kaip korio.

Ryžiai. Vidinė vandens struktūros siena (New Scientist vaizdas)

Mokslininkai tikėjosi pamatyti, kad vanduo visais atvejais sudaro ploną vamzdinę struktūrą. Tačiau modelis parodė, kad esant 1,35 nm vamzdžio skersmeniui ir 40 000 atmosferų slėgiui vandenilinės jungtys buvo sulenktos, todėl susidarė dvisienė spiralė. Šios struktūros vidinė sienelė yra keturguba spiralė, o išorinė siena susideda iš keturių dvigubų spiralių, panašių į DNR molekulės struktūrą.

Pastarasis faktas palieka pėdsaką ne tik mūsų idėjų apie vandenį raidoje, bet ir ankstyvojo gyvenimo bei pačios DNR molekulės raidoje. Jei darytume prielaidą, kad gyvybės atsiradimo epochoje kriolito molio uolienos buvo nanovamzdelių formos, kyla klausimas: ar jose sorbuotas vanduo galėtų būti struktūrinis pagrindas (matrica) DNR sintezei ir informacijos skaitymui? Galbūt todėl spiralinė DNR struktūra pakartoja spiralinę vandens struktūrą nanovamzdeliuose. Kaip praneša žurnalas „New Scientist“, dabar mūsų kolegos iš užsienio turės patvirtinti tokių vandens makromolekulių egzistavimą realiomis eksperimentinėmis sąlygomis, taikydami infraraudonųjų spindulių spektroskopiją ir neutronų sklaidos spektroskopiją.

Ph.D. O.V. Mosin

Ledo struktūra. Vandeniliniai ryšiai taip pat egzistuoja ledo kristaluose. Tačiau čia tokių ryšių sistema yra statiška, todėl net stipresnė nei skystame vandenyje. Tai yra neįprastai aukštos lydymosi temperatūros ir specifinės ledo lydymosi šilumos priežastis. Ledo kristaluose kiekviena vandens molekulė yra sujungta vandeniliniais ryšiais su keturiomis gretimomis. Ši struktūra yra ažūrinė - joje yra daug „tuštumų“. Štai kodėl ledo tankis yra palyginti mažas. Kai ledas tirpsta, kai kurios „tuštumos“ užpildomos „vienkartinėmis“ ir „dvigubomis“ H O molekulėmis, kurios jau buvo išleistos iš kristalinės gardelės. Todėl vandens tankis yra didesnis nei ledo. Ledo tūris yra 10% didesnis nei vandens tūris. 2.

Matmenys: 271 x 317 pikselių, formatas: jpg. Norėdami atsisiųsti nemokamą nuotrauką pamokai apie jus supantį pasaulį, dešiniuoju pelės mygtuku spustelėkite paveikslėlį ir spustelėkite „Išsaugoti vaizdą kaip...“. Norėdami pamokose rodyti nuotraukas, taip pat galite nemokamai atsisiųsti visą pristatymą „Fizikinės vandens savybės“ su visomis nuotraukomis zip archyve. Archyvo dydis yra 338 KB.

Vandens savybės

„Vanduo ir jo savybės“ - Patarlės apie vandenį. Malkarova Fatima, 2 klasės mokinė su teta. Nereikia veltui švaistyti vandens. V.A. Sukhomlinskis. Šiluma priverčia vandenį užvirti. Kur vanduo bėga, jis suras savo kelią. Kur neįleisi vandens, jis pats suras kelią. Paprastai augaluose ir gyvūnuose vandens yra daugiau nei 50 masės procentų. Projekto tikslai. Kovo mėnesį – vanduo, balandį – žolė.

Pamoka „Vandens savybės“ - Dalykas: gamtos mokslai. Vandens sąlygos gamtoje. Probleminiai klausimai. Vanduo yra pagrindinis pasaulio turtas. Vanduo yra gyvybės šaltinis. Tyrimų temos. Be kurių Žemėje nebus gyvybės? Didaktinis tikslas. Ugdyti žinias apie vandens virsmo sąlygas – perėjimą iš vienos būsenos į kitą.

"Vandens savybės" - Kad nebūtų bėdų - Negalime gyventi be... Ar gali žmogus gyventi be vandens? Atsakykite į klausimus ir užrašykite raides su teisingais atsakymais: 1. Skaidrus. Tačiau tokia grėsmė egzistuoja. Vanduo. Kuo pirmoji nuotrauka skiriasi nuo antrosios? Lygiosios. Aplinkinio pasaulio pamoka 3 klasė. Pamokos tema. Be ko mama negali gaminti ar skalbti?

„Pradinės mokyklos vandens savybės“ – įgauna bet kokio laivo formą. Vanduo yra dujinės būsenos. Neskanus. Mus supantis pasaulis, 2 klasė. Pamokos tema: „Vanduo“. Neskaidrus. Neturi kvapo. Atkreipkite dėmesį į vandens savybes. Neturi spalvos. Pažiūrėkite, ką menininkas pamiršo nupiešti? Sunkus vanduo. Pagalvokite apie pavaizduotų situacijų pasekmes.

„Fizikinės vandens savybės“ – vanduo. Vanduo turi didžiausią savitąją šiluminę talpą. Medžiaga. Ledo struktūra. Vandens egzistavimas. Dipolio molekulės. Molekulinė struktūra. Vanduo yra pirmoje vietoje tarp medžiagų, sudarančių ląstelę. Ką mes žinome apie vandenį? Savitoji užšalimo šiluma. Ledas. Vandens tankio pokytis taip pat yra nenormalus.

„Vandens savybės ir reikšmė“ – kieme šurmulys. Tirpiklis. Man pavyko išsiveržti iš žemės. Aš niekur neisiu. Spalva. Vanduo „gamina“ elektros srovę. Vanduo. Vandens savybės ir reikšmė. Didžiausias ir patogiausias kelias. Tūkstančiai žvejų laivų. Mūsų rankos padengtos laku. Švarus lašas. Jūs negalite minkyti duonos tešlos be vandens. Skystumas. Blizga skrydžio metu.

Iš viso yra 8 pristatymai

Ph.D.

MODERNUS VANDENS MODELIS

Jei atliksime trumpą ekskursiją į mokyklos chemijos kursą, prisiminsime, kad dvi elektronų poros sudaro poliarinius kovalentinius ryšius tarp vandenilio ir deguonies atomų, o likusios dvi elektronų poros lieka laisvos ir vadinamos. nebendrinamas. Vandens molekulė yra kampinės struktūros, H-O-H kampas yra 104,5 laipsnio.

Ryžiai. Vandens molekulė

Kadangi deguonies atomas turi daugiau elektronų (chemikai teigia, kad deguonies atomas yra labiau elektronegatyvus) nei vandenilio atomas, dviejų vandenilio atomų elektronai pasislenka link labiau elektroneigiamo deguonies atomo, todėl du teigiami vandenilio atomų krūviai išnyksta. dviejų atomų vandenilio, turinčio neigiamą deguonies atomo krūvį, lygiavertė vertė. Todėl elektronų debesis turi nevienodą tankį. Prie vandenilio branduolių trūksta elektronų tankio, o priešingoje molekulės pusėje, šalia deguonies branduolio, yra elektronų tankio perteklius. Dėl to vandens molekulė yra mažas dipolis, turintis teigiamus ir neigiamus krūvius poliuose. Būtent ši struktūra lemia vandens molekulės poliškumą. Jei teigiamų ir neigiamų krūvių epicentrus sujungsite tiesiomis linijomis, gausite trimatę geometrinę figūrą – taisyklingą tetraedrą. Tačiau toks tetraedras yra tik pats pirmasis pagrindinis vandens struktūros lygis.

Ryžiai. Vandens molekulės sandara: a) kampinė; b) kamuolys; c) tetraedrinis

Antrasis vandens cheminės organizavimo lygis yra nulemtas vandens tetraedrų gebėjimo sudaryti specialius ryšius, vadinamus vandenilio ryšiais, jungiančiais atskiras molekules viena su kita į asocijuotas jungtis.

Vandenilio jungtys yra pasaulinės reikšmės tarpmolekulinės sąveikos chemijoje ir daugiausia sukeliamos silpnų elektrostatinių jėgų ir įtakos. Tai atsitinka, kai vienos vandens molekulės vandenilio atomas, kuriame nėra elektronų, sąveikauja su viena kaimyninės vandens molekulės deguonies atomo elektronų pora.

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

Ryžiai. Kiekviena vandens molekulė gali sudaryti vandenilinius ryšius su keturiomis kaimyninėmis molekulėmis

Ledo kristalinėje struktūroje kiekviena molekulė dalyvauja 4 vandenilio ryšiuose, nukreiptuose į tetraedro viršūnes. Šio tetraedro centre yra deguonies atomas, dviejose viršūnėse – vandenilio atomas, kurio elektronai dalyvauja formuojant kovalentinį ryšį su deguonimi. Dvi likusias viršūnes užima deguonies valentinių elektronų poros, kurios nedalyvauja formuojant intramolekulinius ryšius.

Ryžiai . Vandeniliniai ryšiai ledo kristalų gardelėje

Skirtingai nuo ledo, skystame vandenyje vandenilio ryšiai lengvai nutrūksta ir greitai atsinaujina, todėl vandens struktūra yra labai įvairi. Būtent dėl ​​šių ryšių atskiruose vandens mikrotūriuose nuolat atsiranda unikalių vandens junginių – jo struktūrinių elementų. Visa tai lemia vandens struktūros nevienalytiškumą.

Whitingas pirmasis pasiūlė idėją, kad vanduo yra nevienalytės struktūros 1884 m. Jo autorystė cituojama monografijoje „Vandens prigimtis. Sunkusis vanduo“, išleistas 1935 m. Po jo pasirodė daugybė darbų, kuriuose vanduo buvo laikomas įvairių sudėtinių junginių („hidrolių“) mišiniu.

Nustačius ledo struktūrą 1920-aisiais, paaiškėjo, kad kristalinės būsenos vandens molekulės sudaro trimatį ištisinį tinklą, kuriame kiekviena molekulė turi keturis artimiausius kaimynus, esančius taisyklingo tetraedro viršūnėse. 1933 metais J. Bernalis ir P. Fowleris pasiūlė, kad panašus tinklas egzistuoja skystame vandenyje. Kadangi vanduo yra tankesnis už ledą, jie manė, kad jame esančios molekulės išsidėsčiusios kitaip nei lede, tai yra kaip silicio atomai minerale. tridimitas, bet kaip ir silicio atomai tankesnėje silicio dioksido modifikacijoje – kvarco. Vandens tankio padidėjimas kaitinant nuo 0 iki 4 °C buvo paaiškintas tridimito komponento buvimu žemoje temperatūroje. Taigi Bernal-Fowler modelis išlaikė dviejų struktūrų elementą, tačiau pagrindinis jų pasiekimas buvo ištisinio tetraedrinio tinklo idėja. Tada pasirodė garsusis I. Langmuiro aforizmas: „Vandenynas yra viena didelė molekulė“.

Tik 1951 metais J. Pople'as sukūrė ištisinio tinklo modelis, kuris nebuvo toks specifiškas kaip Bernal-Fowler modelis. Pople'as įsivaizdavo vandenį kaip atsitiktinį tetraedrinį tinklą, kurio molekulių ryšiai yra išlenkti ir skirtingo ilgio. Pople modelis paaiškina vandens sutankinimą lydymosi metu lenkiant ryšius. Kai 60–70 m. pasirodė pirmieji struktūros apibrėžimai ledas II Ir IX, Tapo aišku, kaip jungčių lenkimas gali sukelti konstrukcijos sutankinimą. Pople modelis negalėjo paaiškinti nemonotoniškos vandens savybių priklausomybės nuo temperatūros ir slėgio, taip pat dviejų būsenų modelių. Todėl dviejų valstybių idėja ilgą laiką dalijosi daugeliui mokslininkų.

Ryžiai. Ištisinio tinklelio modelis

XX amžiaus antroje pusėje, be „ kontinuumas"modeliai (Pople's modelis), atsirado dvi "mišrių" modelių grupės: klasteris Ir klatratas e. Pirmoje grupėje vanduo pasirodė vandenilinėmis jungtimis sujungtų molekulių grupių pavidalu, kurios plūduriavo molekulių jūroje, nesusijusių su tokiais ryšiais. Antrosios grupės modeliai vandenį laikė ištisiniu vandenilinių jungčių tinklu – karkasu, kuriame yra tuštumų; juose yra molekulių, kurios nesudaro ryšių su karkaso molekulėmis.

Tarp klasterių modeliaiĮspūdingiausias buvo G. Nemeti ir H. Scheraghi modelis, jų pasiūlytos nuotraukos, vaizduojančios surištų molekulių sankaupas, plūduriuojančias nesurištų molekulių jūroje, buvo įtrauktos į daugelį monografijų.

Kitas vandens modelis, kurį 1957 m. pasiūlė Freckas ir Wenas, yra mirgančios klasterio modelis. Šis modelis labai artimas šiuolaikinėms idėjoms apie vandens struktūrą. Šiame modelyje vandenilio ryšiai vandenyje nuolat formuojasi ir nutrūksta, o šie procesai vyksta bendradarbiaujant trumpalaikėse vandens molekulių grupėse, vadinamose „blizgesio klasteriais“. Jų gyvenimo trukmė yra nuo 10-10 iki 10-11 s. Ši idėja patikimai paaiškina didelį skysto vandens mobilumo laipsnį ir mažą jo klampumą. Manoma, kad dėl šių savybių vanduo tarnauja kaip vienas universaliausių tirpiklių.

DIV_ADBLOCK567">

2002 m. Dr. Head-Gordon grupė, naudodama rentgeno spindulių difrakcijos analizę, naudodama itin galingą pažangų šviesos šaltinį (ALS), sugebėjo parodyti, kad vandens molekulės per vandenilinius ryšius gali sudaryti struktūras – „tikruosius statybinius blokus“. vandens, kurie yra topologinės grandinės ir žiedai iš daugelio vandens molekulių. Interpretuodami gautus eksperimentinius duomenis, mokslininkai juos laiko gana ilgaamžiais struktūriniais elementais. Iš esmės vanduo yra atsitiktinių polimerų ir hipotetinių „vandens kristalų“ (kurie turėtų egzistuoti tirpstančiame vandenyje) rinkinys, kuriame vandeniliu sujungtų molekulių skaičius gali siekti šimtus ir net tūkstančius vienetų.

„Vandens kristalai“ gali turėti įvairių formų – tiek erdvinių, tiek dvimačių (žiedinių struktūrų pavidalu). Visko pagrindas yra tetraedras. Būtent tokia yra vandens molekulės forma. Sugrupuotos vandens molekulių tetraedros sudaro įvairias erdvines ir plokščias struktūras. Ir iš visų gamtoje esančių struktūrų įvairovės pagrindinė yra šešiakampė (šešių pusių) struktūra, kai šešios vandens molekulės (tetraedros) yra sujungtos į žiedą. Tokio tipo konstrukcija būdinga ledui, sniegui ir tirpstančiam vandeniui.

Ryžiai. 1. Ledo kristalinė struktūra

Ledui tirpstant suardoma jo tetragoninė struktūra ir susidaro klasterių mišinys, susidedantis iš vandens ir laisvųjų vandens molekulių tri-, tetra-, penta- ir heksamerų. Schematiškai šį procesą galima įsivaizduoti taip.

Ryžiai . Skysto vandens struktūra. Vandenyje klasteriai periodiškai subyra ir vėl susidaro. Šuolio laikas yra 10-12 sekundžių.

Ištirti šių susidariusių junginių struktūrą pasirodė gana sunku, nes vanduo yra įvairių polimerų, kurie yra pusiausvyroje, mišinys. Susidūrę vienas su kitu, polimerai virsta vienas kitu, suyra ir vėl susidaro.

Taip pat beveik neįmanoma šio mišinio atskirti į atskirus komponentus. Tik 1993 metais Kalifornijos universiteto (Berklis, JAV) mokslininkų grupė, vadovaujama daktaro R. J. Saikalli, iššifravo vandens trimerio struktūrą, 1996 metais – tetramerą ir pentamerį, o vėliau ir vandens heksamerą. Iki to laiko jau buvo nustatyta, kad skystas vanduo susideda iš polimerų junginių (spiečių), turinčių nuo trijų iki šešių vandens molekulių.

Heksamero struktūra pasirodė sudėtingesnė. Paprasčiausia struktūra – šešios vandens molekulės šešiakampio viršūnėse – pasirodo ne tokia stipri kaip ląstelės struktūra. Be to, prizmės, atverstos knygos ar valties konstrukcijos taip pat pasirodė ne tokios stabilios. Šešiakampyje gali būti tik šeši vandenilio ryšiai, tačiau eksperimentiniai duomenys rodo, kad jų yra aštuoni. Tai reiškia, kad keturios vandens molekulės yra sujungtos kryžminiais vandenilio ryšiais.

Vandens klasterių struktūros buvo nustatytos teoriškai, šiandieninė skaičiavimo technologija leidžia tai padaryti. 1999 metais Stanislavas Zeninas kartu su B. Polanueriu (dabar – JAV) Valstybiniame genetikos tyrimų institute atliko vandens tyrimą, kuris davė įdomių rezultatų. Naudodami šiuolaikinius analizės metodus – refraktometriją, protonų rezonansą ir skysčių chromatografiją, pavyko aptikti vandens molekulių asocijuotus junginius – klasterius.

Ri Su. Galimos vandens sankaupos

Derindami vienas su kitu, klasteriai gali sudaryti sudėtingesnes struktūras:

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

Ryžiai. 20 vandens molekulių klasterio susidarymas.

Analizuodamas gautus duomenis, jis pasiūlė, kad vanduo yra taisyklingų „asocijuotų“ (klatratų) tūrinių struktūrų hierarchija, kurios pagrindas yra į kristalą panašus „vandens kvantas“, susidedantis iš 57 jo molekulių, sąveikaujančių viena su kita per laisvą vandenilį. obligacijų. Šiuo atveju 57 vandens molekulės (kvantai) sudaro struktūrą, panašią į tetraedrą. Tetraedras savo ruožtu susideda iš 4 dodekaedrų (reguliarių 12 pusių). 16 kvantų sudaro struktūrinį elementą, susidedantį iš 912 vandens molekulių. Vandenį sudaro 80% tokių elementų, 15% tetraedrinių kvantų ir 3% klasikinių H2O molekulių. Taigi vandens sandara siejama su vadinamosiomis platoniškomis kietosiomis medžiagomis (tetraedras, dodekaedras), kurių forma susijusi su aukso pjūviu. Deguonies branduolys taip pat turi platoniškos kietosios medžiagos (tetraedro) formą.

Vienetinė vandens ląstelė yra tetraedras, kuriame yra keturios (paprastas tetraedras) arba penkios H2O molekulės (į kūną orientuotas tetraedras), sujungtos vandeniliniais ryšiais.

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

Ryžiai. Dodekaedras

Taigi vandenyje atsiranda daugybė grupių, kurios neša labai didelę energiją ir itin didelio tankio informaciją. Tokių vandens struktūrų eilės skaičius yra toks pat didelis, kaip ir kristalų eilės skaičius (didžiausi mums žinoma struktūra), todėl jie taip pat vadinami „skystaisiais kristalais“ arba „kristaliniu vandeniu“. „Vandens kvantai“ gali sąveikauti vienas su kitu dėl laisvųjų vandenilio ryšių, išsikišančių į išorę iš „kvanto“ viršūnių su savo kraštais. Šiuo atveju galimas dviejų tipų antros eilės struktūrų formavimas. Jų sąveika tarpusavyje lemia aukštesnės eilės struktūrų atsiradimą. Pastarosios susideda iš 912 vandens molekulių, kurios pagal Zenino modelį praktiškai nepajėgios sąveikauti dėl vandenilinių jungčių susidarymo. Tai paaiškina, pavyzdžiui, didelį skysčio, susidedančio iš didžiulių polimerų, sklandumą. Taigi vandeninė terpė yra tarsi hierarchiškai organizuotas skystasis kristalas.

Ryžiai. Atskiro vandens klasterio formavimas (kompiuterinis modeliavimas)

Vieno struktūrinio elemento padėties pasikeitimas šiame kristale veikiant bet kokiam išoriniam veiksniui arba aplinkinių elementų orientacijos pasikeitimas, veikiant pridėtoms medžiagoms, pagal Zenino hipotezę užtikrina didelį vandens informacinės sistemos jautrumą. Jei konstrukcinių elementų sutrikimo laipsnio nepakanka, kad pertvarkytų visą vandens struktūrą tam tikrame tūryje, tai pašalinus trikdymą, po 30-40 minučių sistema grįžta į pradinę būseną. Jei perkodavimas, t. y. perėjimas prie kitokio santykinio vandens struktūrinių elementų išdėstymo, yra energetiškai palankus, tai nauja būsena atspindi medžiagos, sukėlusios šį restruktūrizavimą, kodavimo poveikį [Zenin, 1994]. Šis modelis leidžia Zeninui paaiškinti „vandens atmintį“ ir jo informacines savybes [Zenin, 1997].

Ph.D.

Nuorodos:

. Fizinės chemijos pažanga, 2001 m

, . Eksperimentinis vandens frakcijų buvimo įrodymas. G. Homeopatinė medicina ir akupunktūra. 1997.Nr.2.P.42-46.

, . Hidrofobinis vandens molekulių junginių struktūros modelis. J. Phys. Chemija.1994.T.68.Nr.4.P.636-641.

Vandens sandaros tyrimas protonų magnetinio rezonanso metodu. Dokl. RAS.1993.T.332.Nr.3.S.328-329.

, . Hidrofobinės sąveikos pobūdis. Orientacijos laukų atsiradimas vandeniniuose tirpaluose. J. Phys. Chemija.1994.T.68.Nr.3.P.500-503.

, . Nukleotidamidų intramolekulinės sąveikos tyrimas naudojant BMR. 2-osios sąjunginės konferencijos medžiaga. Pagal dinamiškumą Stereochemija. Odesa.1975.p.53.

Vandens molekulėje pagrindinis veikėjas yra deguonies atomas.

Kadangi vandenilio atomai pastebimai atstumia vienas kitą, kampas tarp cheminių ryšių (linijų, jungiančių atomų branduolius) vandenilis – deguonis nėra tiesus (90°), o kiek didesnis – 104,5°.

Cheminiai ryšiai vandens molekulėje yra poliniai, nes deguonis pritraukia neigiamo krūvio elektronus, o vandenilis – teigiamai įkrautus elektronus. Dėl to šalia deguonies atomo kaupiasi neigiamo krūvio perteklius, o prie vandenilio atomų – ​​teigiamas.

Todėl visa vandens molekulė yra dipolis, tai yra molekulė su dviem priešingais poliais. Vandens molekulės dipolio struktūra daugiausia lemia neįprastas jos savybes.

Vandens molekulė yra diamagnetinė.

Jei teigiamų ir neigiamų krūvių epicentrus sujungsite tiesiomis linijomis, gausite trimatę geometrinę figūrą – tetraedrą. Tokia yra pačios vandens molekulės struktūra.

Pasikeitus vandens molekulės būsenai, tetraedre keičiasi kraštinių ilgis ir kampas tarp jų.

Pavyzdžiui, jei vandens molekulė yra garų būsenoje, tada jos kraštų sudarytas kampas yra 104°27". Vandens būsenoje kampas yra 105°03". O esant ledui kampas yra 109,5°.

Įvairių būsenų vandens molekulės geometrija ir matmenys
a - garų būsenai
b – žemiausiam vibracijos lygiui
c - lygiui, artimam ledo kristalo susidarymui, kai vandens molekulės geometrija atitinka dviejų Egipto trikampių, kurių kraštinių santykis yra 3:4:5, geometriją.
g - ledo būklei.

Jei šiuos kampus padalinsime per pusę, gausime kampus:
104°27": 2 = 52°13",
105°03": 2 = 52°31",
106°16": 2 = 53°08",
109,5°: 2 = 54°32".

Tai reiškia, kad tarp geometrinių vandens ir ledo molekulių raštų yra garsusis Egipto trikampis, kurio konstrukcija paremta auksinės proporcijos ryšiais – kraštinių ilgiai yra santykiu 3:4:5 su kampu. iš 53°08".

Vandens molekulė įgyja aukso santykio struktūrą pakeliui, kai vanduo virsta ledu, ir atvirkščiai, kai ledas tirpsta. Akivaizdu, kad tirpstantis vanduo vertinamas dėl šios būklės, kai jo struktūra statyboje turi aukso pjūvio proporcijas.

Dabar tampa aišku, kad garsusis Egipto trikampis, kurio kraštinių santykis yra 3:4:5, buvo „paimtas“ iš vienos iš vandens molekulės būsenų. Pačią vandens molekulės geometriją sudaro du Egipto stačiakampiai trikampiai, kurių bendra kojelė lygi 3.

Vandens molekulė, pagrįsta aukso pjūviu, yra fizinė dieviškosios prigimties apraiška, dalyvaujanti kuriant gyvybę. Štai kodėl žemiškoje prigimtyje yra harmonija, būdinga visam kosmosui.

Ir todėl senovės egiptiečiai dievino skaičius 3, 4, 5, o patį trikampį laikė šventu ir stengėsi jo savybes, harmoniją įtraukti į bet kokią struktūrą, namus, piramides ir net laukų žymėjimą. Beje, naudojant aukso pjūvį buvo statomi ir ukrainietiški nameliai.

Erdvėje vandens molekulė užima tam tikrą tūrį ir yra padengta elektroniniu apvalkalu šydo pavidalu. Jei įsivaizduojate hipotetinį molekulės modelį plokštumoje, jis atrodo kaip drugelio sparnai, kaip X formos chromosoma, kurioje įrašyta gyvos būtybės gyvenimo programa. Ir tai yra orientacinis faktas, kad pats vanduo yra esminis visų gyvų dalykų elementas.

Jei įsivaizduojate hipotetinio vandens molekulės tūrio modelio išvaizdą, tada jis perteikia trikampės piramidės formą, kuri turi 4 paviršius, o kiekvienas paviršius turi 3 briaunas. Geometrijoje trikampė piramidė vadinama tetraedru. Ši struktūra būdinga kristalams.

Taigi vandens molekulė suformuoja stiprią kampinę struktūrą, kurią išlaiko net būdama garų būsenoje, ant ledo ribos ir virsdama ledu.

Jei vandens molekulės „skeletas“ yra toks stabilus, tada jo energetinė „piramidė“ - tetraedras - taip pat stovi nepajudinama.

Tokios struktūrinės vandens molekulės savybės įvairiomis sąlygomis paaiškinamos stipriais ryšiais tarp dviejų vandenilio atomų ir vieno deguonies atomo. Šis ryšys yra maždaug 25 kartus stipresnis nei ryšys tarp gretimų vandens molekulių. Todėl lengviau atskirti vieną vandens molekulę nuo kitos, pavyzdžiui, kaitinant, nei sunaikinti pačią vandens molekulę.

Dėl orientacinės, indukcinės, dispersinės sąveikos (van der Waals jėgų) ir vandenilinių ryšių tarp kaimyninių molekulių vandenilio ir deguonies atomų vandens molekulės gali susidaryti kaip atsitiktiniai asocijuotieji junginiai, t.y. neturintys tvarkingos struktūros, o klasteriai yra tam tikrą struktūrą turintys asocijuoti elementai.

Remiantis statistika, paprastame vandenyje yra atsitiktinių partnerių - 60% (sunaikintas vanduo) ir grupes - 40% (struktūrinis vanduo).

Rusijos mokslininko S. V. Zenino atliktų tyrimų metu buvo aptiktos stabilios, ilgai gyvenančios vandens sankaupos.

Zeninas nustatė, kad vandens molekulės iš pradžių sudaro dodekaedrą. Keturi dodekaedrai susijungia ir sudaro pagrindinį struktūrinį vandens elementą – spiečius, susidedantį iš 57 vandens molekulių.

Klasteryje dodekaedrai turi bendrus paviršius, o jų centrai sudaro taisyklingą tetraedrą. Tai tūrinis vandens molekulių, įskaitant heksamerus, junginys, turintis teigiamus ir neigiamus polius.

Vandenilio tilteliai leidžia vandens molekulėms susijungti įvairiais būdais. Dėl šios priežasties vandenyje yra be galo daug įvairių grupių.

Klasteriai gali sąveikauti vienas su kitu dėl laisvųjų vandenilio jungčių, dėl kurių atsiranda antros eilės struktūros šešiaedrų pavidalu. Jie susideda iš 912 vandens molekulių, kurios praktiškai nepajėgios sąveikauti. Tokios konstrukcijos tarnavimo laikas yra labai ilgas.

Šią struktūrą, panašią į mažą aštrų ledo kristalą iš 6 rombinių veidų, sukūrė S.V. Zeninas jį pavadino „pagrindiniu vandens struktūriniu elementu“. Daugybė eksperimentų patvirtino, kad vandenyje yra begalė tokių kristalų.

Šie ledo kristalai beveik nesąveikauja vienas su kitu, todėl nesudaro sudėtingesnių stabilių struktūrų ir lengvai slysta vienas kito atžvilgiu, sukurdami sklandumą. Šia prasme vanduo primena peršaldytą tirpalą, kuris negali kristalizuotis.