Tas ir agregācijas stāvoklī, kam istabas temperatūrā ir tendence būt gāzveida vai šķidrā formā. Ledus īpašības sāka pētīt pirms simtiem gadu. Apmēram pirms divsimt gadiem zinātnieki atklāja, ka ūdens nav vienkāršs savienojums, bet gan sarežģīts ķīmiskais elements, kas sastāv no skābekļa un ūdeņraža. Pēc atklāšanas ūdens formula kļuva par H2O.

Ledus struktūra

H 2 O sastāv no diviem ūdeņraža atomiem un viena skābekļa atoma. Klusā stāvoklī ūdeņradis atrodas skābekļa atoma virsotnēs. Skābekļa un ūdeņraža joniem vajadzētu aizņemt vienādsānu trīsstūra virsotnes: skābeklis atrodas taisnā leņķa virsotnē. Šo ūdens struktūru sauc par dipolu.

Ledus sastāv no 11,2% ūdeņraža, bet pārējais ir skābeklis. Ledus īpašības ir atkarīgas no tā ķīmiskās struktūras. Dažreiz tajā ir gāzveida vai mehāniski veidojumi - piemaisījumi.

Ledus dabā sastopams dažu kristālisku sugu veidā, kas stabili saglabā savu struktūru temperatūrā no nulles un zemāk, bet pie nulles un augstāk tas sāk kust.

Kristāla struktūra

Ledus, sniega un tvaika īpašības ir pilnīgi atšķirīgas un ir atkarīgas no Cietā stāvoklī H 2 O ieskauj četras molekulas, kas atrodas tetraedra stūros. Tā kā koordinācijas skaitlis ir mazs, ledus var būt ar ažūru. Tas atspoguļojas ledus īpašībās un tā blīvumā.

Ledus formas

Ledus ir dabā izplatīta viela. Uz Zemes ir šādas šķirnes:

• upe;
• ezers;
• jūras;
• firn;
• ledājs;
• zeme.

Ir ledus, kas veidojas tieši sublimācijas ceļā, t.i. no tvaika stāvokļa. Šis izskats iegūst skeleta formu (mēs tās saucam par sniegpārslām) un dendrītu un skeleta augšanas agregātus (sarma, sarma).

Viena no izplatītākajām formām ir stalaktīti, t.i., lāstekas. Tie aug visā pasaulē: uz Zemes virsmas, alās. Šāda veida ledus veidojas ūdens pilienu plūsmas rezultātā, kad temperatūras starpība rudens-pavasara periodā ir aptuveni nulle grādu.

Ledus sloksnes veidojumus, kas veidojas gar rezervuāru malām, pie ūdens un gaisa robežas, kā arī gar peļķu malām, sauc par ledus bankām.

Ledus porainās augsnēs var veidoties šķiedru dzīslu veidā.

Ledus īpašības

Viela var būt dažādos stāvokļos. Pamatojoties uz to, rodas jautājums: kāda ledus īpašība izpaužas tajā vai citā stāvoklī?

Zinātnieki izšķir fizikālās un mehāniskās īpašības. Katram no tiem ir savas īpašības.

Fizikālās īpašības

Ledus fizikālās īpašības ietver:

1. Blīvums. Fizikā nehomogēnu vidi attēlo pašas vides vielas masas attiecības pret tilpumu, kurā tā atrodas. Ūdens blīvums, tāpat kā citas vielas, ir temperatūras un spiediena funkcija. Parasti aprēķinos tiek izmantots nemainīgs ūdens blīvums, kas vienāds ar 1000 kg/m3. Precīzāks blīvuma indikators tiek ņemts vērā tikai tad, ja ir nepieciešams veikt ļoti precīzus aprēķinus iegūtā blīvuma starpības rezultāta nozīmīguma dēļ.
   Aprēķinot ledus blīvumu, tiek ņemts vērā, kāds ūdens ir kļuvis par ledu: kā zināms, sālsūdens blīvums ir lielāks nekā destilētam ūdenim.
2. Ūdens temperatūra. Parasti notiek nulles grādu temperatūrā. Sasalšanas procesi notiek periodiski, izdaloties siltumam. Reversais process (kušana) notiek, kad tiek absorbēts tāds pats siltuma daudzums, kas tika izlaists, bet bez lēcieniem, bet pakāpeniski.
   Dabā ir apstākļi, kādos ūdens tiek pārdzesēts, bet tas nesasalst. Dažas upes saglabā šķidru ūdeni pat -2 grādu temperatūrā.
3. siltuma daudzums, kas tiek absorbēts, kad ķermenis tiek uzkarsēts par katru grādu. Ir īpatnējā siltumietilpība, ko raksturo siltuma daudzums, kas nepieciešams kilograma destilēta ūdens uzsildīšanai par vienu grādu.
4. Saspiežamība. Vēl viena sniega un ledus fiziskā īpašība ir saspiežamība, kas ietekmē tilpuma samazināšanos paaugstināta ārējā spiediena ietekmē. Apgriezto lielumu sauc par elastību.
5. Ledus spēks.
6. Ledus krāsa. Šī īpašība ir atkarīga no gaismas absorbcijas un staru izkliedes, kā arī no piemaisījumu daudzuma sasalušajā ūdenī. Upju un ezeru ledus bez svešiem piemaisījumiem ir redzams maigi zilā gaismā. Jūras ledus var būt pilnīgi atšķirīgs: zils, zaļš, indigo, balts, brūns vai ar tēraudu nokrāsu. Dažreiz jūs varat redzēt melno ledu. Šo krāsu tas iegūst, pateicoties lielam skaitam minerālvielu un dažādu organisko piemaisījumu.

Ledus mehāniskās īpašības

Ledus un ūdens mehāniskās īpašības nosaka to izturība pret ārējās vides ietekmi attiecībā pret laukuma vienību. Mehāniskās īpašības ir atkarīgas no struktūras, sāļuma, temperatūras un porainības.

Ledus ir elastīgs, viskozs, plastisks veidojums, taču ir apstākļi, kādos tas kļūst ciets un ļoti trausls.

Jūras ledus un saldūdens ledus atšķiras: pirmais ir daudz elastīgāks un mazāk izturīgs.

Braucot garām kuģiem, jāņem vērā ledus mehāniskās īpašības. Tas ir svarīgi arī, izmantojot ledus ceļus, krustojumus un daudz ko citu.

Ūdenim, sniegam un ledus ir līdzīgas īpašības, kas nosaka vielas īpašības. Bet tajā pašā laikā šos rādījumus ietekmē daudzi citi faktori: apkārtējā temperatūra, piemaisījumi cietā vielā, kā arī sākotnējais šķidruma sastāvs. Ledus ir viena no interesantākajām vielām uz Zemes.

Ūdens ir pazīstama un neparasta viela. Gandrīz 3/4 no mūsu planētas virsmas aizņem okeāni un jūras. Ciets ūdens – sniegs un ledus – klāj 20% zemes. Planētas klimats ir atkarīgs no ūdens. Tā saka ģeofiziķi Zeme jau sen būtu atdzisusi un pārvērtusies par nedzīvu akmens gabalu, ja ne ūdens. Tam ir ļoti augsta siltuma jauda. Sildot, tas absorbē siltumu; atdziest, viņš to atdod. Zemes ūdens gan absorbē, gan atdod daudz siltuma, tādējādi “izlīdzinot” klimatu. Un tās ūdens molekulas, kas ir izkaisītas atmosfērā – mākoņos un tvaiku veidā – pasargā Zemi no kosmiskā aukstuma.

Ūdens ir visnoslēpumainākā viela dabā pēc DNS, piemīt unikālas īpašības, kas ne tikai vēl nav pilnībā izskaidrotas, bet ir tālu no visiem zināmas. Jo ilgāk to pēta, jo vairāk tajā tiek atrastas jaunas anomālijas un noslēpumi. Lielākā daļa no šīm anomālijām, kas padara dzīvību iespējamu uz Zemes, ir izskaidrojamas ar ūdeņraža saišu klātbūtni starp ūdens molekulām, kas ir daudz spēcīgākas nekā van der Vāla pievilkšanās spēki starp citu vielu molekulām, bet par lielumu vājāki nekā jonu un kovalentās saites. saites starp atomiem molekulās. Tās pašas ūdeņraža saites ir arī DNS molekulā.

Ūdens molekula (H 2 16 O) sastāv no diviem ūdeņraža atomiem (H) un viena skābekļa atoma (16 O). Izrādās, ka gandrīz visu ūdens īpašību daudzveidību un to izpausmes neparastumu galu galā nosaka šo atomu fiziskā būtība, veids, kā tie tiek apvienoti molekulā un iegūto molekulu grupēšana.

Rīsi. Ūdens molekulas uzbūve . H2O monomēra ģeometriskā diagramma (a), plakanais modelis (b) un telpiskā elektroniskā struktūra (c). Divi no četriem elektroniem skābekļa atoma ārējā apvalkā ir iesaistīti kovalento saišu veidošanā ar ūdeņraža atomiem, bet pārējie divi veido ļoti iegarenas elektronu orbītas, kuru plakne ir perpendikulāra H-O-H plaknei.

Ūdens molekula H 2 O ir veidota trīsstūra formā: leņķis starp divām skābekļa-ūdeņraža saitēm ir 104 grādi. Bet, tā kā abi ūdeņraža atomi atrodas vienā un tajā pašā skābekļa pusē, elektriskie lādiņi tajā ir izkliedēti. Ūdens molekula ir polāra, kas ir iemesls īpašajai mijiedarbībai starp tās dažādajām molekulām. Ūdeņraža atomi H 2 O molekulā ar daļēju pozitīvu lādiņu mijiedarbojas ar blakus esošo molekulu skābekļa atomu elektroniem. Šo ķīmisko saiti sauc par ūdeņraža saiti. Tas apvieno H 2 O molekulas unikālos telpiskās struktūras partneros; plakne, kurā atrodas ūdeņraža saites, ir perpendikulāra vienas un tās pašas H 2 O molekulas atomu plaknei. Ūdens molekulu mijiedarbība galvenokārt izskaidro tā kušanas un viršanas neparasti augstās temperatūras. Ir jāpiegādā papildu enerģija, lai atslābinātu un pēc tam iznīcinātu ūdeņraža saites. Un šī enerģija ir ļoti nozīmīga. Tāpēc ūdens siltuma jauda ir tik augsta.

Ūdens molekula satur divas polāras kovalentās saites H-O. Tie veidojas divu viena elektrona p - skābekļa atoma mākoņu un viena elektrona S - divu ūdeņraža atomu mākoņu pārklāšanās dēļ.

Saskaņā ar ūdeņraža un skābekļa atomu elektronisko struktūru ūdens molekulā ir četri elektronu pāri. Divas no tām ir iesaistītas kovalento saišu veidošanā ar diviem ūdeņraža atomiem, t.i. ir saistoši. Pārējie divi elektronu pāri ir brīvi – nesaistoši. Tie veido elektronu mākoni. Mākonis ir neviendabīgs – tajā var izšķirt individuālas koncentrācijas un retumus.

Ūdens molekulai ir četri polu lādiņi: divi pozitīvi un divi negatīvi. Pozitīvie lādiņi ir koncentrēti uz ūdeņraža atomiem, jo ​​skābeklis ir elektronnegatīvāks nekā ūdeņradis. Divi negatīvie stabi nāk no diviem nesaistošiem skābekļa elektronu pāriem.

Skābekļa kodolā tiek izveidots pārmērīgs elektronu blīvums. Skābekļa iekšējais elektronu pāris vienmērīgi ierāmē kodolu: shematiski to attēlo aplis ar centru - O 2- kodolu. Četri ārējie elektroni ir sagrupēti divos elektronu pāros, kas gravitējas uz kodolu, bet nav daļēji kompensēti. Shematiski šo pāru kopējās elektronu orbitāles ir parādītas elipsi veidā, kas izstieptas no kopējā centra - O 2 - kodola. Katrs no atlikušajiem diviem elektroniem skābekļa pāros ar vienu elektronu ūdeņradi. Šie tvaiki arī gravitējas uz skābekļa kodolu. Tāpēc ūdeņraža kodoli - protoni - izrādās nedaudz tukši, un šeit tiek novērots elektronu blīvuma trūkums.

Tādējādi ūdens molekulā ir četri uzlādes stabi: divi negatīvi (pārmērīgs elektronu blīvums skābekļa kodola reģionā) un divi pozitīvi (elektronu blīvuma trūkums divos ūdeņraža kodolos). Lielākai skaidrībai varam iedomāties, ka stabi aizņem deformēta tetraedra virsotnes, kura centrā atrodas skābekļa kodols.

Rīsi. Ūdens molekulas struktūra: a – leņķis starp O-H saitēm; b – uzlādes stabu izvietojums; c – ūdens molekulas elektronu mākoņa parādīšanās.

Gandrīz sfēriskajai ūdens molekulai ir manāmi izteikta polaritāte, jo elektriskie lādiņi tajā atrodas asimetriski. Katra ūdens molekula ir miniatūrs dipols ar augstu dipola momentu 1,87 deBy. Debye ir elektriskā dipola 3.33564·10 30 C·m ārpussistēmas vienība. Ūdens dipolu ietekmē starpatomiskie vai starpmolekulārie spēki uz tajā iegremdētas vielas virsmu tiek vājināti 80 reizes. Citiem vārdiem sakot, ūdenim ir augsta dielektriskā konstante, kas ir augstākā no visiem mums zināmajiem savienojumiem.

Lielā mērā tāpēc ūdens izpaužas kā universāls šķīdinātājs. Cietās vielas, šķidrumi un gāzes vienā vai otrā pakāpē ir pakļauti tā šķīdināšanas iedarbībai.

Ūdens īpatnējā siltumietilpība ir visaugstākā no visām vielām. Turklāt tas ir 2 reizes lielāks nekā ledus, savukārt lielākajai daļai vienkāršu vielu (piemēram, metāliem) siltumietilpība kušanas procesā praktiski nemainās, bet vielām, kas izgatavotas no poliatomiskām molekulām, tā parasti samazinās. kušanas laikā.

Šāda molekulas struktūras izpratne ļauj izskaidrot daudzas ūdens īpašības, jo īpaši ledus struktūru. Ledus kristāla režģī katru molekulu ieskauj četras citas. Plakanā attēlā to var attēlot šādi:

Savienojums starp molekulām tiek veikts caur ūdeņraža atomu. Vienas ūdens molekulas pozitīvi lādētais ūdeņraža atoms tiek piesaistīts citas ūdens molekulas negatīvi lādētajam skābekļa atomam. Šo saiti sauc par ūdeņraža saiti (to apzīmē ar punktiem). Ūdeņraža saites stiprums ir aptuveni 15-20 reizes vājāks nekā kovalentās saites stiprums. Tāpēc ūdeņraža saite viegli pārtrūkst, kas tiek novērots, piemēram, ūdens iztvaikošanas laikā.

Rīsi. pa kreisi - Ūdeņraža saites starp ūdens molekulām

Šķidra ūdens struktūra atgādina ledus struktūru. Šķidrā ūdenī molekulas arī ir savienotas viena ar otru caur ūdeņraža saitēm, taču ūdens struktūra ir mazāk “stingra” nekā ledus. Sakarā ar molekulu termisko kustību ūdenī dažas ūdeņraža saites tiek pārtrauktas, bet citas veidojas.

Rīsi. Ledus kristāla režģis. Ūdens molekulas H 2 O (melnas bumbiņas) tās mezglos atrodas tā, lai katrai būtu četri “kaimiņi”.

Ūdens molekulu polaritāte un daļēji nekompensētu elektrisko lādiņu klātbūtne tajās izraisa tendenci molekulas grupēt lielās “kopienās” - asociētās. Izrādās, ka tikai ūdens tvaika stāvoklī pilnībā atbilst formulai H2O. To parādīja ūdens tvaiku molekulmasas noteikšanas rezultāti. Temperatūras diapazonā no 0 līdz 100°C šķidrā ūdens atsevišķu (monomēru molekulu) koncentrācija nepārsniedz 1%. Visas pārējās ūdens molekulas ir apvienotas dažādas sarežģītības pakāpes asociētās molekulās, un to sastāvu apraksta ar vispārīgo formulu (H 2 O)x.

Tiešais asociēto savienojumu veidošanās cēlonis ir ūdeņraža saites starp ūdens molekulām. Tie rodas starp dažu molekulu ūdeņraža kodoliem un citu ūdens molekulu skābekļa kodolu elektronu “kondensācijām”. Tiesa, šīs saites ir desmitiem reižu vājākas nekā “standarta” intramolekulārās ķīmiskās saites, un to iznīcināšanai pietiek ar parasto molekulāro kustību. Bet termisko vibrāciju ietekmē tikpat viegli rodas jauni šāda veida savienojumi. Asociāciju rašanos un sabrukšanu var izteikt ar šādu diagrammu:

x·H 2 O↔ (H 2 O) x

Tā kā elektronu orbitāles katrā ūdens molekulā veido tetraedrisku struktūru, ūdeņraža saites var sakārtot ūdens molekulu izvietojumu tetraedriskos koordinētos asociētos veidos.

Vairums pētnieku šķidrā ūdens anomāli lielo siltumietilpību skaidro ar to, ka ledus kūstot tā kristāliskā struktūra uzreiz nesabrūk. Šķidrā ūdenī tiek saglabātas ūdeņraža saites starp molekulām. Tajā palikušie ledus fragmenti – liela vai mazāka ūdens molekulu skaita līdzstrādnieki. Tomēr, atšķirībā no ledus, katrs līdzstrādnieks nepastāv ilgi. Pastāvīgi notiek dažu iznīcināšana un citu līdzstrādnieku veidošanās. Pie katras ūdens temperatūras vērtības šajā procesā tiek izveidots savs dinamiskais līdzsvars. Un, kad ūdens tiek uzkarsēts, daļa siltuma tiek tērēta ūdeņraža saišu pārraušanai partneros. Šajā gadījumā katras saites pārraušanai tiek iztērēti 0,26-0,5 eV. Tas izskaidro ūdens anomāli lielo siltumietilpību salīdzinājumā ar citu vielu kausējumiem, kas neveido ūdeņraža saites. Karsējot šādus kausējumus, enerģija tiek tērēta tikai termiskās kustības nodrošināšanai to atomiem vai molekulām. Ūdeņraža saites starp ūdens molekulām pilnībā pārtrūkst tikai tad, kad ūdens pārvēršas tvaikā. Par šī viedokļa pareizību liecina arī tas, ka ūdens tvaiku īpatnējā siltumietilpība 100°C temperatūrā praktiski sakrīt ar ledus īpatnējo siltumietilpību 0°C temperatūrā.

Attēls zemāk:

Asociētā uzņēmuma elementārais struktūras elements ir klasteris: Rīsi. Atsevišķs hipotētiskais ūdens kopums. Atsevišķas kopas veido ūdens molekulu asociētos savienojumus (H 2 O) x: Rīsi. Ūdens molekulu kopas veido asociētās vielas.

Ir vēl viens viedoklis par ūdens anomāli augstās siltumietilpības raksturu. Profesors G.N. Zatsepina atzīmēja, ka ūdens molārā siltumietilpība, kas ir 18 cal/(molgrad), ir tieši vienāda ar teorētisko cietvielu ar triatomiskiem kristāliem. Un saskaņā ar Dulonga un Petita likumu visu ķīmiski vienkāršo (monatomisko) kristālisko ķermeņu atomu siltuma jaudas pietiekami augstā temperatūrā ir vienādas un vienādas ar 6 calDmol o deg). Un triatomiskajiem, kuru gramols satur 3 N a kristāla režģa vietas, tas ir 3 reizes vairāk. (Šeit N a ir Avogadro numurs).

No tā izriet, ka ūdens it kā ir kristālisks ķermenis, kas sastāv no triatomiskām H 2 0 molekulām. Tas atbilst vispārpieņemtajai idejai par ūdeni kā kristāliem līdzīgu savienojumu maisījumu ar nelielu brīvo H 2 O ūdens molekulu piejaukumu. starp tiem, kuru skaits palielinās, palielinoties temperatūrai. No šī viedokļa pārsteidzoša ir nevis šķidrā ūdens augstā siltumietilpība, bet gan cietā ledus zemā siltumietilpība. Ūdens īpatnējās siltumietilpības samazināšanās sasalšanas laikā ir izskaidrojama ar atomu šķērsvirziena termisko vibrāciju neesamību cietajā ledus kristālrežģī, kur katram protonam, kas rada ūdeņraža saiti, ir tikai viena siltuma vibrāciju brīvības pakāpe trīs vietā. .

Bet kā dēļ un kā var rasties tik lielas ūdens siltumietilpības izmaiņas bez atbilstošām spiediena izmaiņām? Lai atbildētu uz šo jautājumu, tiksimies ar ģeoloģijas un mineraloģijas zinātņu kandidāta A. Koļasņikova hipotēzi par ūdens uzbūvi.

Viņš norāda, ka ūdeņraža saišu atklājēji J. Bernāls un R. Faulers 1932. gadā salīdzināja šķidrā ūdens struktūru ar kvarca kristālisko struktūru, un tie iepriekš minētie asociētie galvenokārt ir 4H 2 0 tetramēri, kuros ir četri. ūdeņu molekulas ir savienotas kompaktā tetraedrā ar divpadsmit iekšējām ūdeņraža saitēm. Tā rezultātā veidojas tetraedrs.

Tajā pašā laikā ūdeņraža saites šajos tetramēros var veidot gan labās, gan kreisās puses sekvences, tāpat kā plaši izplatīta kvarca (Si0 2) kristāli, kuriem arī ir tetraedriska struktūra, ir labās un kreisās puses kristālu formās. . Tā kā katram šādam ūdens tetramēram ir arī četras neizmantotas ārējās ūdeņraža saites (kā viena ūdens molekula), tetramērus var savienot ar šīm ārējām saitēm tādās polimēru ķēdēs kā DNS molekulā. Un tā kā ir tikai četras ārējās saites un 3 reizes vairāk iekšējo, tas ļauj smagajiem un stiprajiem tetramēriem šķidrā ūdenī saliekties, pagriezties un pat pārraut šīs ārējās ūdeņraža saites, kuras vājina termiskās vibrācijas. Tas nosaka ūdens plūstamību.

Ūdenim, pēc Koļasņikova domām, šāda struktūra ir tikai šķidrā stāvoklī un, iespējams, daļēji tvaiku stāvoklī. Bet ledū, kura kristāliskā struktūra ir labi izpētīta, tetrahidroli ar neelastīgām, tikpat spēcīgām tiešām ūdeņraža saitēm ir savienoti viens ar otru ažūra karkasā ar lieliem tukšumiem, kas ledus blīvumu padara mazāku par ūdens blīvumu. .

Rīsi. Ledus kristāla struktūra: ūdens molekulas ir savienotas regulāros sešstūros

Kad ledus kūst, dažas tajā esošās ūdeņraža saites vājina un izliecas, kas noved pie struktūras pārstrukturēšanas iepriekš aprakstītajos tetramēros un padara šķidro ūdeni blīvāku par ledu. 4°C temperatūrā iestājas stāvoklis, kad visas ūdeņraža saites starp tetramēriem ir maksimāli saliektas, kas nosaka maksimālo ūdens blīvumu šajā temperatūrā. Savienojumiem nav kur tālāk virzīties.

Temperatūrā virs 4°C atsevišķas saites starp tetramēriem sāk plīst, un 36-37°C temperatūrā tiek pārrauta puse no ārējām ūdeņraža saitēm. Tas nosaka ūdens īpatnējās siltumietilpības un temperatūras līknes minimumu. 70°C temperatūrā gandrīz visas intertetramēru saites tiek pārrautas, un kopā ar brīvajiem tetramēriem ūdenī paliek tikai īsi to “polimēru” ķēžu fragmenti. Visbeidzot, kad ūdens vārās, tagad notiek atsevišķu tetramēru galīgais pārrāvums atsevišķās H 2 0 molekulās un fakts, ka ūdens īpatnējais iztvaikošanas siltums ir tieši 3 reizes lielāks nekā ledus kušanas un sekojošās sildīšanas īpatnējo siltumu summa. ūdens līdz 100 ° C apstiprina Koļasņikova pieņēmumu Par. ka iekšējo saišu skaits tetramerā ir 3 reizes lielāks par ārējo saišu skaitu.

Šāda ūdens tetraedriski spirālveida struktūra varētu būt saistīta ar tās seno reoloģisko saikni ar kvarcu un citiem zemes garozā dominējošiem silīcija-skābekļa minerāliem, no kuru dzīlēm kādreiz uz Zemes parādījās ūdens. Tāpat kā neliels sāls kristāls liek apkārt esošajam šķīdumam kristalizēties līdzīgos kristālos, nevis citos, tāpat kvarcs izraisīja ūdens molekulu rindu tetraedriskās struktūrās, kas ir enerģētiski vislabvēlīgākās. Un mūsu laikmetā zemes atmosfērā ūdens tvaiki, kondensējoties pilienos, veido šādu struktūru, jo atmosfērā vienmēr ir sīki aerosola ūdens pilieni, kuriem jau ir šāda struktūra. Tie ir ūdens tvaiku kondensācijas centri atmosfērā. Zemāk ir norādītas iespējamās ķēdes silikātu struktūras, kuru pamatā ir tetraedrs, kas var sastāvēt arī no ūdens tetraedriem.

Rīsi. Elementārs regulārs silīcija-skābekļa tetraedrs SiO 4 4-.

Rīsi. Elementārās silīcija-skābekļa vienības-ortogrupas SiO 4 4- Mg-piroksēna enstatīta struktūrā (a) un diorto grupas Si 2 O 7 6- Ca-piroksenoīda volastonītā (b).

Rīsi. Vienkāršākie salu silīcija-skābekļa anjonu grupu veidi: a-SiO 4, b-Si 2 O 7, c-Si 3 O 9, d-Si 4 O 12, d-Si 6 O 18.

Rīsi.

zemāk - Svarīgākie silīcija-skābekļa ķēdes anjonu grupu veidi (pēc Belova teiktā): a-metagermanāts, b - piroksēns, c - batysite, d-volastonīts, d-vlasovīts, e-melilīts, f-rodonīts, z-piroksmangīts , i-metafosfāts, k - fluoroberilāts, l - barilīts.

Rīsi.

zemāk – piroksēna silīcija-skābekļa anjonu kondensācija šūnveida divu rindu amfibolā (a), trīsrindu amfibolā līdzīgā (b), slāņainā talkā un saistītos anjonos (c).

Iespējami arī citi ūdens struktūras modeļi. Tetraedrāli saistītās ūdens molekulas veido savdabīgas ķēdes ar diezgan stabilu sastāvu. Pētnieki atklāj arvien smalkākus un sarežģītākus ūdens masas “iekšējās organizācijas” mehānismus. Bez ledus līdzīgās struktūras, šķidrā ūdens un monomēra molekulām ir aprakstīts arī trešais struktūras elements - netetraedrisks.

Noteikta ūdens molekulu daļa ir saistīta nevis trīsdimensiju ietvaros, bet gan lineārās gredzenu asociācijās. Gredzeni, ja tie ir sagrupēti, veido vēl sarežģītākus līdzstrādnieku kompleksus.

Tādējādi ūdens teorētiski var veidot ķēdes, piemēram, DNS molekulu, kā tas tiks apspriests turpmāk. Vēl viena interesanta lieta šajā hipotēzē ir tāda, ka tā nozīmē vienādu labās un kreisās puses ūdens pastāvēšanas varbūtību. Bet biologi jau sen ir pamanījuši, ka bioloģiskajos audos un struktūrās tiek novēroti tikai kreisās vai labās puses veidojumi. Piemērs tam ir olbaltumvielu molekulas, kas veidotas tikai no kreisās puses aminoskābēm un savītas tikai kreisās puses spirālē. Bet cukuri dabā visi ir labrocīgi. Neviens vēl nav spējis izskaidrot, kāpēc dzīvajā dabā dažos gadījumos ir tāda priekšroka kreisajiem, citos labējiem. Patiešām, nedzīvajā dabā ar vienādu varbūtību tiek atrastas gan labās, gan kreisās puses molekulas.

Pirms vairāk nekā simts gadiem slavenais franču dabaszinātnieks Luiss Pastērs atklāja, ka organiskie savienojumi augos un dzīvniekos ir optiski asimetriski – tie rotē uz tiem krītošās gaismas polarizācijas plakni. Visas aminoskābes, kas veido dzīvniekus un augus, griež polarizācijas plakni pa kreisi, un visi cukuri griežas pa labi. Ja mēs sintezēsim savienojumus ar vienādu ķīmisko sastāvu, tad katrā no tiem būs vienāds skaits kreiso un labo roku molekulu.

Kā jūs zināt, visi dzīvie organismi sastāv no olbaltumvielām, un tie, savukārt, ir izgatavoti no aminoskābēm. Savienojot viena ar otru dažādās secībās, aminoskābes veido garas peptīdu ķēdes, kas spontāni “savijas” sarežģītās olbaltumvielu molekulās. Tāpat kā daudziem citiem organiskiem savienojumiem, aminoskābēm ir hirāla simetrija (no grieķu chiros - roku), tas ir, tās var pastāvēt divās spoguļsimetriskās formās, ko sauc par “enantiomēriem”. Šādas molekulas ir līdzīgas viena otrai, tāpat kā kreisā un labā roka, tāpēc tās sauc par D- un L-molekulām (no latīņu valodas dexter, laevus - labā un kreisā).

Tagad iedomāsimies, ka barotne ar kreisās un labās puses molekulām ir pārgājusi stāvoklī, kurā ir tikai kreisās vai tikai labās molekulas. Eksperti šādu vidi sauc par sakārtotu (no grieķu vārda "cheira" - roka). Dzīvo būtņu pašvairošanās (biopoēze - kā definējis D. Bernāls) varētu rasties un uzturēties tikai šādā vidē.

Rīsi. Spoguļsimetrija dabā

Cits enantiomēru molekulu nosaukums - "pa labi griežot" un "pa kreisi" - cēlies no to spējas pagriezt gaismas polarizācijas plakni dažādos virzienos. Ja caur šādu molekulu šķīdumu tiek izlaista lineāri polarizēta gaisma, tās polarizācijas plakne griežas: pulksteņrādītāja virzienā, ja šķīdumā esošās molekulas ir labās puses, un pretēji pulksteņrādītāja virzienam, ja šķīdumā esošās molekulas ir kreisās. Un vienāda daudzuma D un L formu maisījumā (ko sauc par "racemātu"), gaisma saglabās savu sākotnējo lineāro polarizāciju. Šo hirālo molekulu optisko īpašību pirmo reizi atklāja Luiss Pastērs 1848. gadā.

Interesanti, ka gandrīz visas dabiskās olbaltumvielas sastāv tikai no kreisās puses aminoskābēm. Šis fakts ir vēl jo pārsteidzošāks, jo aminoskābju sintēze laboratorijas apstākļos rada aptuveni vienādu labās un kreisās puses molekulu skaitu. Izrādās, ka šī īpašība piemīt ne tikai aminoskābēm, bet arī daudzām citām dzīvām sistēmām nozīmīgām vielām, un katrai ir stingri noteikta spoguļsimetrijas zīme visā biosfērā. Piemēram, cukuri, kas ir daļa no daudziem nukleotīdiem, kā arī nukleīnskābes DNS un RNS, organismā ir pārstāvēti tikai ar labās puses D-molekulām. Lai gan “spoguļa antipodu” fizikālās un ķīmiskās īpašības ir vienādas, to fizioloģiskā aktivitāte organismos ir atšķirīga: L-kaksāras netiek absorbētas, L-fenilalanīns, atšķirībā no tā nekaitīgajām D-molekulām, izraisa garīgas slimības utt.

Saskaņā ar mūsdienu priekšstatiem par dzīvības izcelsmi uz Zemes, noteikta veida spoguļa simetrijas izvēle, izmantojot organiskās molekulas, kalpoja par galveno priekšnoteikumu to izdzīvošanai un turpmākajai pašatvairošanai. Tomēr jautājums par to, kā un kāpēc notika viena vai otra spoguļa antipoda evolucionārā atlase, joprojām ir viens no lielākajiem zinātnes noslēpumiem.

Padomju zinātnieks L. L. Morozovs pierādīja, ka pāreja uz hirālo kārtību nevar notikt evolucionāri, bet tikai ar kādu specifisku asu fāzes maiņu. Akadēmiķis V.I. Goldanskis šo pāreju, pateicoties kurai radās dzīvība uz Zemes, nosauca par hirālu katastrofu.

Kā radās apstākļi fāzes katastrofai, kas izraisīja hirālo pāreju?

Vissvarīgākais bija tas, ka organiskie savienojumi zemes garozā izkusa 800-1000 0C temperatūrā, bet augšējie atdzisa līdz kosmosa temperatūrai, tas ir, absolūtai nullei. Temperatūras starpība sasniedza 1000 °C. Šādos apstākļos organiskās molekulas izkusa augstas temperatūras ietekmē un pat tika pilnībā iznīcinātas, un augšdaļa palika auksta, jo organiskās molekulas tika sasalušas. Gāzes un ūdens tvaiki, kas noplūda no zemes garozas, mainīja organisko savienojumu ķīmisko sastāvu. Gāzes nesa siltumu sev līdzi, izraisot organiskā slāņa kušanas līnijas kustību uz augšu un uz leju, radot gradientu.

Pie ļoti zema atmosfēras spiediena ūdens uz zemes virsmas atradās tikai tvaiku un ledus veidā. Kad spiediens sasniedza tā saukto ūdens trīskāršo punktu (0,006 atmosfēras), ūdens pirmo reizi spēja pastāvēt šķidruma formā.

Protams, tikai eksperimentāli var pierādīt, kas tieši izraisīja hirālo pāreju: sauszemes vai kosmiski iemesli. Bet tā vai citādi, kādā brīdī hirāli sakārtotas molekulas (proti, pa kreisi griežamās aminoskābes un pa labi rotējošie cukuri) izrādījās stabilākas un sākās neapturams to skaita pieaugums – hirāla pāreja.

Planētas hronika arī vēsta, ka tolaik uz Zemes nebija ne kalnu, ne ieplaku. Daļēji izkusušajai granīta garozai bija tikpat gluda virsma kā mūsdienu okeāna līmenis. Tomēr šajā līdzenumā joprojām bija ieplakas, jo Zemes masas sadalījās nevienmērīgi. Šiem samazinājumiem bija ārkārtīgi svarīga loma.

Fakts ir tāds, ka simtiem un pat tūkstošiem kilometru šķērsām un ne vairāk kā simts metrus dziļas plakanas dibena ieplakas, iespējams, kļuva par dzīvības šūpuli. Galu galā ūdens, kas sakrājās uz planētas virsmas, ieplūda tajās. Ūdens atšķaidīja hirālos organiskos savienojumus pelnu slānī. Savienojuma ķīmiskais sastāvs pakāpeniski mainījās, un temperatūra stabilizējās. Pāreja no nedzīva uz dzīvo, kas sākās bezūdens apstākļos, turpinājās ūdens vidē.

Vai tas ir dzīvības izcelsmes sižets? Visticamāk jā. 3,8 miljardus gadu vecā Isua (Grenlandes rietumu daļa) ģeoloģiskajā griezumā tika atrasti benzīnam un eļļai līdzīgi savienojumi ar fotosintētiskas izcelsmes ogleklim raksturīgu C12/C13 izotopu attiecību.

Ja apstiprinās Isua sadaļas oglekļa savienojumu bioloģiskā daba, tad izrādās, ka viss dzīvības rašanās periods uz Zemes - no hirālās organiskās vielas rašanās līdz fotosintēzi un vairošanos spējīgas šūnas parādīšanās brīdim. pabeigta tikai simts miljonu gadu laikā. Un ūdens molekulām un DNS šajā procesā bija milzīga loma.

Pārsteidzošākais ūdens struktūrā ir tas, ka ūdens molekulas pie zemas negatīvas temperatūras un augsta spiediena nanocaurulēs var kristalizēties dubultspirāles formā, kas atgādina DNS. To pierādīja Nebraskas universitātes (ASV) amerikāņu zinātnieku datoreksperimenti, kurus vadīja Sjao Čens Zengs.

DNS ir dubultā virkne, kas savīta spirālē. Katrs pavediens sastāv no “ķieģeļiem” - virknē savienotiem nukleotīdiem. Katrs DNS nukleotīds satur vienu no četrām slāpekļa bāzēm - guanīnu (G), adenīnu (A) (purīnus), timīnu (T) un citozīnu (C) (pirimidīnus), kas saistīti ar dezoksiribozi, savukārt pēdējam ir fosfāts. grupa ir pievienota. Blakus esošie nukleotīdi ir savienoti viens ar otru ķēdē ar fosfodiestera saiti, ko veido 3"-hidroksilgrupas (3"-OH) un 5"-fosfāta grupas (5"-PO3). Šī īpašība nosaka DNS polaritātes klātbūtni, t.i. pretējos virzienos, proti, 5" un 3" gali: viena pavediena 5" gals atbilst otrā pavediena 3" galam. Nukleotīdu secība ļauj “kodēt” informāciju par dažāda veida RNS, no kurām svarīgākās ir vēstnesis jeb šablons (mRNS), ribosomālais (rRNS) un transports (tRNS). Visi šie RNS veidi tiek sintezēti uz DNS šablona, ​​nokopējot DNS sekvenci transkripcijas laikā sintezētā RNS secībā un piedalās vissvarīgākajā dzīves procesā - informācijas pārnešanā un kopēšanā (tulkošanā).

DNS primārā struktūra ir DNS nukleotīdu lineārā secība ķēdē. Nukleotīdu secību DNS ķēdē raksta burtu DNS formulas veidā: piemēram - AGTCATGCCAG, ieraksts tiek veikts no DNS ķēdes 5" līdz 3" galam.

DNS sekundārā struktūra veidojas nukleotīdu (pārsvarā slāpekļa bāzu) savstarpējās mijiedarbības, ūdeņraža saišu dēļ. Klasisks DNS sekundārās struktūras piemērs ir DNS dubultspirāle. DNS dubultspirāle ir visizplatītākā DNS forma dabā, kas sastāv no divām DNS polinukleotīdu ķēdēm. Katras jaunas DNS ķēdes uzbūve tiek veikta pēc komplementaritātes principa, t.i. Katra vienas DNS ķēdes slāpekļa bāze atbilst stingri noteiktai citas ķēdes bāzei: komplementārā pārī pretī A ir T, bet pretī G ir C utt.

Lai ūdens veidotu tādu spirāli kā šis, simulētā eksperimentā tas tika “ievietots” nanocaurulēs zem augsta spiediena, dažādos eksperimentos mainoties no 10 līdz 40 000 atmosfēru. Pēc tam tika iestatīta temperatūra, kuras vērtība bija -23°C. Robeža salīdzinājumā ar ūdens sasalšanas punktu tika noteikta tāpēc, ka, palielinoties spiedienam, ūdens ledus kušanas temperatūra samazinās. Nanocauruļu diametrs bija no 1,35 līdz 1,90 nm.

Rīsi. Vispārējs ūdens struktūras skats (New Scientist attēls)

Ūdens molekulas ir savienotas viena ar otru caur ūdeņraža saitēm, attālums starp skābekļa un ūdeņraža atomiem ir 96 pm, bet starp diviem ūdeņražiem - 150 pm. Cietā stāvoklī skābekļa atoms piedalās divu ūdeņraža saišu veidošanā ar blakus esošajām ūdens molekulām. Šajā gadījumā atsevišķas H 2 O molekulas saskaras viena ar otru ar pretējiem poliem. Tādējādi veidojas slāņi, kuros katra molekula ir saistīta ar trim sava slāņa molekulām un vienu no blakus esošās. Rezultātā ledus kristāliskā struktūra sastāv no sešstūra “caurulēm”, kas ir savstarpēji savienotas kā šūnveida.

Rīsi. Ūdens struktūras iekšējā siena (New Scientist attēls)

Zinātnieki cerēja redzēt, ka ūdens visos gadījumos veido plānu cauruļveida struktūru. Tomēr modelis parādīja, ka pie caurules diametra 1,35 nm un 40 000 atmosfēru spiediena ūdeņraža saites bija saliektas, izraisot dubultsienu spirāles veidošanos. Šīs struktūras iekšējā siena ir četrkārša spirāle, un ārējā siena sastāv no četrām dubultām spirālēm, kas ir līdzīga DNS molekulas struktūrai.

Pēdējais fakts atstāj iespaidu ne tikai uz mūsu ideju evolūciju par ūdeni, bet arī uz agrīnās dzīves un pašas DNS molekulas attīstību. Ja pieņemam, ka dzīvības rašanās laikmetā kriolīta māla iežiem bija nanocaurules forma, rodas jautājums: vai tajos sorbētais ūdens varētu kalpot par DNS sintēzes un informācijas nolasīšanas strukturālo pamatu (matricu)? Varbūt tāpēc DNS spirālveida struktūra atkārto ūdens spirālveida struktūru nanocaurulēs. Kā ziņo žurnāls New Scientist, tagad mūsu ārvalstu kolēģiem būs jāapstiprina šādu ūdens makromolekulu esamība reālos eksperimentālos apstākļos, izmantojot infrasarkano spektroskopiju un neitronu izkliedes spektroskopiju.

Ph.D. O.V. Mosin

Ledus struktūra. Ūdeņraža saites pastāv arī ledus kristālos. Bet šeit šādu saišu sistēma ir statiska un tāpēc pat stiprāka nekā šķidrā ūdenī. Tas ir iemesls neparasti augstajai kušanas temperatūrai un ledus īpatnējam kausēšanas siltumam. Ledus kristālos katra ūdens molekula ir savienota ar ūdeņraža saitēm ar četrām blakus esošām. Šī struktūra ir ažūra - tajā ir daudz "tukšumu". Tāpēc ledus blīvums ir salīdzinoši zems. Kad ledus kūst, daži no "tukšumiem" tiek aizpildīti ar "vienu" un "dubultu" H O molekulām, kas jau ir atbrīvotas no kristāla režģa. Tāpēc ūdens blīvums ir lielāks nekā ledus blīvums. Ledus tilpums ir par 10% lielāks nekā ūdens tilpums. 2.

Izmēri: 271 x 317 pikseļi, formāts: jpg. Lai lejupielādētu bezmaksas fotoattēlu nodarbībai par apkārtējo pasauli, ar peles labo pogu noklikšķiniet uz attēla un noklikšķiniet uz “Saglabāt attēlu kā...”. Lai nodarbībās rādītu fotogrāfijas, varat arī bez maksas lejupielādēt visu prezentāciju “Ūdens fizikālās īpašības” ar visām fotogrāfijām zip arhīvā. Arhīva lielums ir 338 KB.

Ūdens īpašības

“Ūdens un tā īpašības” - sakāmvārdi par ūdeni. Malkarova Fatima, 2. klases skolniece ar savu tanti. Nav nepieciešams izšķērdēt ūdeni veltīgi. V.A. Sukhomlinskis. Siltums liek ūdenim vārīties. Kur ūdens tek, tas atradīs savu ceļu. Kur jūs neielaidīsit ūdeni, viņš atradīs ceļu sev. Parasti augi un dzīvnieki satur vairāk nekā 50 svara procentus ūdens. Projekta mērķi. Martā ir ūdens, aprīlī ir zāle.

“Ūdens nodarbība” - Akadēmiskais priekšmets: dabaszinības. Ūdens apstākļi dabā. Problēmas problēmas. Ūdens ir galvenā bagātība pasaulē. Ūdens ir dzīvības avots. Pētījumu tēmas. Bez kura uz Zemes nebūs dzīvības? Didaktiskais mērķis. Attīstīt zināšanas par ūdens transformācijas apstākļiem – pāreju no viena stāvokļa uz otru.

“Ūdens īpašības” - Lai nav nepatikšanas - Mēs nevaram dzīvot bez... Vai cilvēks var dzīvot bez ūdens? Atbildiet uz jautājumiem un pierakstiet burtus ar pareizajām atbildēm: 1. Caurspīdīgi. Taču šādi draudi pastāv. Ūdens. Kā pirmā bilde atšķiras no otrās? Zīmēt. Apkārtējās pasaules stunda 3.klase. Nodarbības tēma. Bez kā mamma nevar gatavot vai mazgāt veļu?

“Ūdens pamatskolas īpašības” - iegūst jebkura kuģa formu. Ūdens ir gāzveida stāvoklī. Bezgaumīgs. Pasaule mums apkārt, 2. klase. Nodarbības tēma: “Ūdens”. Nav caurspīdīgs. Nav smaržas. Pievērsiet uzmanību ūdens īpašībām. Nav krāsas. Paskaties, ko mākslinieks aizmirsa uzzīmēt? Ciets ūdens. Padomājiet par attēloto situāciju sekām.

“Ūdens fizikālās īpašības” - Ūdens. Ūdenim ir visaugstākā īpatnējā siltumietilpība. Viela. Ledus struktūra. Ūdens esamība. Dipola molekulas. Molekulārā struktūra. Ūdens ir pirmajā vietā starp vielām, kas veido šūnu. Ko mēs zinām par ūdeni? Īpatnējais sasalšanas siltums. Ledus. Arī ūdens blīvuma izmaiņas ir neparastas.

“Ūdens īpašības un nozīme” - Pagalmā valda kņada. Šķīdinātājs. Es varēju izlauzties no zemes. Es nekur neiešu. Krāsa. Ūdens “ražo” elektrisko strāvu. Ūdens. Ūdens īpašības un nozīme. Lielākais un ērtākais ceļš. Tūkstošiem zvejas laivu. Mūsu rokas ir pārklātas ar laku. Tīrs piliens. Jūs nevarat mīcīt maizes mīklu bez ūdens. Šķidrums. Dzirksti lidojumā.

Kopā ir 8 prezentācijas

Ph.D.

MODERNI ŪDENS MODELIS

Ja mēs veicam īsu ekskursiju skolas ķīmijas kursā, mēs atceramies, ka divi elektronu pāri veido polāras kovalentās saites starp ūdeņraža un skābekļa atomiem, un atlikušie divi elektronu pāri paliek brīvi un tiek saukti. nav kopīgota. Ūdens molekulai ir leņķiska struktūra, H–O–H leņķis ir 104,5 grādi.

Rīsi. Ūdens molekula

Tā kā skābekļa atomā ir vairāk elektronu (ķīmiķi saka, ka skābekļa atoms ir elektronnegatīvāks) nekā ūdeņraža atomam, divu ūdeņraža atomu elektroni pāriet uz vairāk elektronnegatīvo skābekļa atomu, izraisot divu ūdeņraža atomu pozitīvo lādiņu izzušanu. divu atomu vienāda vērtība ūdeņradis ar negatīvu skābekļa atoma lādiņu. Tāpēc elektronu mākonim ir nevienmērīgs blīvums. Ūdeņraža kodolu tuvumā trūkst elektronu blīvuma, un molekulas pretējā pusē, netālu no skābekļa kodola, ir elektronu blīvuma pārpalikums. Tā rezultātā ūdens molekula ir mazs dipols, kura polios ir pozitīvi un negatīvi lādiņi. Tieši šī struktūra nosaka ūdens molekulas polaritāti. Ja jūs savienojat pozitīvo un negatīvo lādiņu epicentrus ar taisnām līnijām, iegūstat trīsdimensiju ģeometrisku figūru - regulāru tetraedru. Bet šāds tetraedrs ir tikai pats pirmais ūdens struktūras pamatlīmenis.

Rīsi. Ūdens molekulas uzbūve: a) leņķiska; b) bumba; c) tetraedrisks

Ūdens ķīmiskās organizācijas otro līmeni nosaka ūdens tetraedru spēja veidot īpašas saites, ko sauc par ūdeņraža saitēm, kas atsevišķas molekulas saista viena ar otru asociētos veidos.

Ūdeņraža saitei ir globāla nozīme starpmolekulāro mijiedarbību ķīmijā, un to galvenokārt izraisa vāji elektrostatiskie spēki un ietekme. Tas notiek, kad vienas ūdens molekulas ūdeņraža atoms, kurā trūkst elektronu, mijiedarbojas ar blakus esošās ūdens molekulas skābekļa atoma vientuļo elektronu pāri.

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

Rīsi. Katra ūdens molekula spēj veidot ūdeņraža saites ar četrām blakus esošām molekulām

Ledus kristāliskajā struktūrā katra molekula piedalās 4 ūdeņraža saitēs, kas vērstas uz tetraedra virsotnēm. Šī tetraedra centrā atrodas skābekļa atoms, divās virsotnēs atrodas ūdeņraža atoms, kura elektroni ir iesaistīti kovalentās saites veidošanā ar skābekli. Divas atlikušās virsotnes aizņem skābekļa valences elektronu pāri, kas nepiedalās intramolekulāro saišu veidošanā.

Rīsi . Ūdeņraža saites ledus kristāla režģī

Atšķirībā no ledus, šķidrā ūdenī ūdeņraža saites ir viegli pārraujamas un ātri pārveidojas, padarot ūdens struktūru ārkārtīgi mainīgu. Pateicoties šiem savienojumiem, atsevišķos ūdens mikroapjomos nepārtraukti rodas unikāli ūdens asociētie elementi – tā strukturālie elementi. Tas viss noved pie ūdens struktūras neviendabīguma.

Vaitings 1884. gadā bija pirmais, kurš ierosināja ideju, ka ūdens struktūra ir neviendabīga. Viņa autorība citēta monogrāfijā “Ūdens daba. Smagais ūdens”, izdots 1935. gadā. Pēc tam parādījās daudzi darbi, kuros ūdens tika uzskatīts par dažādu sastāvu līdzstrādnieku (“hidrolu”) maisījumu.

Kad 20. gados tika noteikta ledus struktūra, izrādījās, ka ūdens molekulas kristāliskā stāvoklī veido trīsdimensiju nepārtrauktu tīklu, kurā katrai molekulai ir četri tuvākie kaimiņi, kas atrodas regulāra tetraedra virsotnēs. 1933. gadā J. Bernal un P. Fowler ierosināja, ka līdzīgs tīkls pastāv šķidrā ūdenī. Tā kā ūdens ir blīvāks par ledu, viņi uzskatīja, ka tajā esošās molekulas ir izkārtojušās savādāk nekā ledus, tas ir, kā silīcija atomi minerālā. tridimīts, bet gluži kā silīcija atomi blīvākā silīcija dioksīda modifikācijā – kvarcā. Ūdens blīvuma palielināšanās, karsējot no 0 līdz 4°C, tika skaidrota ar tridimīta komponenta klātbūtni zemā temperatūrā. Tādējādi Bernala-Fowlera modelis saglabāja divu struktūru elementu, bet viņu galvenais sasniegums bija ideja par nepārtrauktu tetraedru tīklu. Tad parādījās slavenais I. Langmuira aforisms: "Okeāns ir viena liela molekula."

Tikai 1951. gadā J. Pople izveidoja nepārtraukta tīkla modelis, kas nebija tik specifisks kā Bernala-Fowlera modelis. Pople iedomājās ūdeni kā nejaušu tetraedrisku tīklu, saites starp molekulām, kurās ir izliektas un dažāda garuma. Poples modelis izskaidro ūdens sablīvēšanos kušanas laikā ar saišu saliekšanu. Kad 60.–70. gados parādījās pirmās struktūras definīcijas ledus II Un IX, Kļuva skaidrs, kā saišu locīšana var izraisīt konstrukcijas sablīvēšanos. Poples modelis nevarēja izskaidrot ūdens īpašību nemonotonisko atkarību no temperatūras un spiediena, kā arī divu stāvokļu modeļus. Tāpēc ideja par divām valstīm ilgu laiku bija kopīga daudziem zinātniekiem.

Rīsi. Nepārtraukta sieta modelis

20. gadsimta otrajā pusē papildus „ kontinuums“modeļi (Pople modelis), radās divas “jaukto” modeļu grupas: klasteris Un klatrāts e. Pirmajā grupā ūdens parādījās ar ūdeņraža saitēm savienotu molekulu kopu veidā, kas peldēja molekulu jūrā, kas nav iesaistītas šādās saitēs. Otrās grupas modeļi ūdeni uzskatīja par nepārtrauktu ūdeņraža saišu tīklu – karkasu, kas satur tukšumus; tie satur molekulas, kas neveido saites ar karkasa molekulām.

Starp klasteru modeļi Visspilgtākais modelis bija G. Nemeti un H. Šeragas modelis, viņu piedāvātie attēli, kas attēlo saistītu molekulu kopas, kas peld nesaistītu molekulu jūrā, tika iekļautas daudzās monogrāfijās.

Vēl viens ūdens modelis, ko 1957. gadā ierosināja Freck un Wen, ir mirgojošās kopas modelis. Šis modelis ir ļoti tuvs mūsdienu priekšstatiem par ūdens struktūru. Šajā modelī ūdeņraža saites ūdenī tiek nepārtraukti veidotas un pārtrauktas, un šie procesi notiek sadarbojoties īslaicīgās ūdens molekulu grupās, ko sauc par "mirdzuma kopām". To kalpošanas laiks tiek lēsts diapazonā no 10-10 līdz 10-11 sekundēm. Šī ideja ticami izskaidro šķidrā ūdens augsto mobilitātes pakāpi un tā zemo viskozitāti. Tiek uzskatīts, ka šo īpašību dēļ ūdens kalpo kā viens no universālākajiem šķīdinātājiem.

DIV_ADBLOCK567">

2002. gadā Dr. Head-Gordon grupa, izmantojot rentgenstaru difrakcijas analīzi, izmantojot īpaši jaudīgo uzlaboto gaismas avotu (ALS), spēja parādīt, ka ūdens molekulas spēj veidot struktūras, izmantojot ūdeņraža saites - "īstos celtniecības blokus". ūdens, kas ir daudzu ūdens molekulu topoloģiskās ķēdes un gredzeni. Interpretējot iegūtos eksperimentālos datus, pētnieki tos uzskata par diezgan ilgmūžīgiem struktūras elementiem. Būtībā ūdens ir nejaušu polimēru un hipotētisku “ūdens kristālu” (kuriem ir jābūt kausētā ūdenī) kopums, kur ar ūdeņradi saistīto molekulu skaits var sasniegt simtiem un pat tūkstošiem vienību.

“Ūdens kristāliem” var būt dažādas formas, gan telpiskas, gan divdimensiju (gredzenveida struktūru veidā). Visa pamatā ir tetraedrs. Tieši tāda ir ūdens molekulas forma. Grupējot, ūdens molekulu tetraedri veido dažādas telpiskas un plakanas struktūras. Un no visām dabā sastopamajām struktūrām galvenā ir sešstūra (sešpusējā) struktūra, kad sešas ūdens molekulas (tetraedri) ir apvienotas gredzenā. Šāda veida konstrukcija ir raksturīga ledus, sniega un kušanas ūdenim.

Rīsi. 1. Ledus kristāliskā struktūra

Ledam kūstot, tiek iznīcināta tā tetragonālā struktūra un veidojas klasteru maisījums, kas sastāv no ūdens un brīvo ūdens molekulu tri-, tetra-, penta- un heksamēriem. Shematiski šo procesu var iedomāties šādi.

Rīsi . Šķidra ūdens struktūra. Ūdenī kopas periodiski sabrūk un atkal veidojas. Lēciena laiks ir 10-12 sekundes.

Izrādījās diezgan grūti izpētīt šo iegūto asociēto struktūru, jo ūdens ir dažādu polimēru maisījums, kas ir līdzsvarā viens ar otru. Saduroties viens ar otru, polimēri pārvēršas viens par otru, sadalās un atkal veidojas.

Ir arī gandrīz neiespējami sadalīt šo maisījumu atsevišķos komponentos. Tikai 1993. gadā Kalifornijas Universitātes (Berklija, ASV) pētnieku grupa doktora R. J. Saikalli vadībā atšifrēja ūdens trimera uzbūvi, 1996. gadā - tetramēru un pentamēru, un pēc tam ūdens heksamēru. Līdz tam laikam jau bija noskaidrots, ka šķidrais ūdens sastāv no polimēru asociētiem savienojumiem (kopām), kas satur trīs līdz sešas ūdens molekulas.

Heksamera struktūra izrādījās sarežģītāka. Vienkāršākā struktūra - sešas ūdens molekulas sešstūra virsotnēs - izrādās nav tik spēcīga kā šūnas struktūra. Turklāt arī prizmas, atvērtas grāmatas vai laivas konstrukcijas izrādījās mazāk stabilas. Sešstūrī var būt tikai sešas ūdeņraža saites, bet eksperimentālie dati liecina, ka ir astoņas. Tas nozīmē, ka četras ūdens molekulas ir savienotas ar krusteniskām ūdeņraža saitēm.

Ūdens kopu struktūras ir atrastas teorētiski, mūsdienu skaitļošanas tehnoloģija ļauj to izdarīt. 1999. gadā Staņislavs Zenins kopā ar B. Polanueru (tagad atrodas ASV) Valsts ģenētikas pētniecības institūtā veica ūdens pētījumu, kas sniedza interesantus rezultātus. Izmantojot mūsdienu analīzes metodes - refraktometriju, protonu rezonansi un šķidruma hromatogrāfiju, viņi varēja noteikt ūdens molekulu asociētos savienojumus - klasterus.

Ri Ar. Iespējamas ūdens kopas

Apvienojot viens ar otru, klasteri var veidot sarežģītākas struktūras:

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

Rīsi. 20 ūdens molekulu kopas veidošanās.

Analizējot iegūtos datus, viņš ierosināja, ka ūdens ir regulāru “asociēto” (klatrātu) tilpuma struktūru hierarhija, kuras pamatā ir kristālam līdzīgs “ūdens kvants”, kas sastāv no 57 tā molekulām, kas mijiedarbojas viena ar otru caur brīvo ūdeņradi. obligācijas. Šajā gadījumā 57 ūdens molekulas (kvanti) veido struktūru, kas atgādina tetraedru. Savukārt tetraedrs sastāv no 4 dodekaedriem (parastām 12 malām). 16 kvanti veido strukturālu elementu, kas sastāv no 912 ūdens molekulām. Ūdens sastāv no 80% šādu elementu, 15% no tetraedriskiem kvantiem un 3% no klasiskajām H2O molekulām. Tādējādi ūdens struktūra ir saistīta ar tā sauktajām platoniskajām cietvielām (tetraedrs, dodekaedrs), kuru forma ir saistīta ar zelta griezumu. Skābekļa kodolam ir arī platoniskas cietas vielas (tetraedra) forma.

Ūdens vienības šūna ir tetraedrs, kas satur četras (vienkāršs tetraedrs) vai piecas H2O molekulas (uz ķermeni centrēts tetraedrs), kas savstarpēji savienotas ar ūdeņraža saitēm.

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

Rīsi. Dodekaedrs

Tādējādi ūdenī parādās daudzas kopas, kas nes ļoti lielu enerģiju un informāciju ar ārkārtīgi lielu blīvumu. Šādu ūdens struktūru secības skaits ir tikpat liels kā kristālu kārtas skaits (visaugstākā mums zināmā struktūra), tāpēc tos sauc arī par "šķidrajiem kristāliem" vai "kristālisko ūdeni". “Ūdens kvanti” var mijiedarboties viens ar otru, pateicoties brīvajām ūdeņraža saitēm, kas ar malām izvirzītas uz āru no “kvanta” virsotnēm. Šajā gadījumā ir iespējama divu veidu otrās kārtas struktūru veidošanās. To savstarpējā mijiedarbība noved pie augstākas kārtas struktūru rašanās. Pēdējās sastāv no 912 ūdens molekulām, kuras saskaņā ar Zenina modeli praktiski nespēj mijiedarboties ūdeņraža saišu veidošanās dēļ. Tas izskaidro, piemēram, šķidruma, kas sastāv no milzīgiem polimēriem, lielo plūstamību. Tādējādi ūdens vide ir kā hierarhiski sakārtots šķidrais kristāls.

Rīsi. Atsevišķa ūdens klastera veidošana (datormodelēšana)

Viena struktūras elementa stāvokļa maiņa šajā kristālā jebkura ārēja faktora ietekmē vai apkārtējo elementu orientācijas maiņa pievienoto vielu ietekmē, saskaņā ar Zenina hipotēzi, nodrošina augstu ūdens informācijas sistēmas jutīgumu. Ja konstrukcijas elementu traucējuma pakāpe nav pietiekama, lai pārkārtotu visu ūdens struktūru noteiktā tilpumā, tad pēc traucējumu novēršanas sistēma atgriežas sākotnējā stāvoklī pēc 30-40 minūtēm. Ja pārkodēšana, t.i., pāreja uz atšķirīgu ūdens strukturālo elementu relatīvo izvietojumu izrādās enerģētiski labvēlīga, tad jaunais stāvoklis atspoguļo vielas kodēšanas efektu, kas izraisīja šo pārstrukturēšanu [Zenin, 1994]. Šis modelis ļauj Zeninam izskaidrot “ūdens atmiņu” un tās informācijas īpašības [Zenin, 1997].

Ph.D.

Atsauces:

. Fizikālās ķīmijas sasniegumi, 2001

, . Eksperimentāls ūdens frakciju klātbūtnes pierādījums. G. Homeopātiskās zāles un akupunktūra. 1997.Nr.2.P.42-46.

, . Ūdens molekulu asociēto struktūru hidrofobs modelis. J. Phys. Ķīmija.1994.T.68.Nr.4.P.636-641.

Ūdens struktūras izpēte, izmantojot protonu magnētiskās rezonanses metodi. Dokl. RAS.1993.T.332.Nr.3.S.328-329.

, . Hidrofobās mijiedarbības būtība. Orientācijas lauku rašanās ūdens šķīdumos. J. Phys. Ķīmija.1994.T.68.Nr.3.P.500-503.

, . Pētījums par intramolekulāro mijiedarbību nukleotidemīdos, izmantojot KMR. Materiāli 2. Vissavienības konf. Pēc dinamiskas Stereoķīmija. Odesa.1975.53.lpp.

Ūdens molekulā galvenais varonis ir skābekļa atoms.

Tā kā ūdeņraža atomi manāmi atgrūž viens otru, leņķis starp ķīmiskajām saitēm (līnijām, kas savieno atomu kodolus) ūdeņradis - skābeklis nav taisns (90°), bet nedaudz lielāks - 104,5°.

Ķīmiskās saites ūdens molekulā ir polāras, jo skābeklis piesaista negatīvi lādētus elektronus, un ūdeņradis piesaista pozitīvi lādētus elektronus. Tā rezultātā skābekļa atoma tuvumā uzkrājas pārmērīgs negatīvais lādiņš, bet ūdeņraža atomu tuvumā uzkrājas pozitīvais lādiņš.

Tāpēc visa ūdens molekula ir dipols, tas ir, molekula ar diviem pretējiem poliem. Ūdens molekulas dipola struktūra lielā mērā nosaka tās neparastās īpašības.

Ūdens molekula ir diamagnētiska.

Ja jūs savienojat pozitīvo un negatīvo lādiņu epicentrus ar taisnām līnijām, jūs iegūstat trīsdimensiju ģeometrisku figūru - tetraedru. Tāda ir pašas ūdens molekulas struktūra.

Mainoties ūdens molekulas stāvoklim, tetraedrā mainās malu garums un leņķis starp tām.

Piemēram, ja ūdens molekula atrodas tvaika stāvoklī, tad leņķis, ko veido tās malas, ir 104°27". Ūdens stāvoklī leņķis ir 105°03". Un ledus stāvoklī leņķis ir 109,5°.

Ūdens molekulas ģeometrija un izmēri dažādiem stāvokļiem
a - tvaika stāvoklim
b - zemākajam vibrācijas līmenim
c - līmenim, kas ir tuvu ledus kristāla veidošanās līmenim, kad ūdens molekulas ģeometrija atbilst divu Ēģiptes trīsstūru ģeometrijai ar malu attiecību 3: 4: 5
g - ledus stāvoklim.

Ja mēs sadalām šos leņķus uz pusēm, mēs iegūstam leņķus:
104°27": 2 = 52°13",
105°03": 2 = 52°31",
106°16": 2 = 53°08",
109,5°: 2 = 54°32".

Tas nozīmē, ka starp ūdens un ledus molekulu ģeometriskajiem rakstiem ir slavenais Ēģiptes trīsstūris, kura uzbūve balstās uz zelta proporcijas attiecībām - malu garumi ir attiecībā 3:4:5 ar leņķi. no 53°08".

Ūdens molekula iegūst zelta proporcijas struktūru ceļā, kad ūdens pārvēršas ledū, un otrādi, kad ledus kūst. Acīmredzot kausētais ūdens tiek novērtēts šajā stāvoklī, kad tā struktūra būvniecībā atbilst zelta griezuma proporcijām.

Tagad kļūst skaidrs, ka slavenais Ēģiptes trīsstūris ar malu attiecību 3:4:5 tika “paņemts” no viena no ūdens molekulas stāvokļiem. Pati ūdens molekulas ģeometriju veido divi Ēģiptes taisnleņķa trīsstūri, kuru kopējā kāja ir vienāda ar 3.

Ūdens molekula, kuras pamatā ir zelta griezums, ir fiziska Dievišķās Dabas izpausme, kas piedalās dzīvības radīšanā. Tāpēc zemes dabā ir harmonija, kas piemīt visam kosmosam.

Un tāpēc senie ēģiptieši dievināja skaitļus 3, 4, 5 un uzskatīja pašu trīsstūri par svētu un mēģināja iekļaut tā īpašības, harmoniju jebkurā struktūrā, mājās, piramīdās un pat lauku marķējumā. Starp citu, arī ukraiņu būdas tika būvētas, izmantojot zelta griezumu.

Kosmosā ūdens molekula aizņem noteiktu tilpumu un ir pārklāta ar elektronu apvalku plīvura formā. Ja jūs iedomājaties hipotētisku molekulas modeli plaknē, tas izskatās kā tauriņa spārni, kā X-veida hromosoma, kurā ierakstīta dzīvas būtnes dzīvības programma. Un tas ir indikatīvs fakts, ka ūdens pats par sevi ir būtiska visu dzīvo būtņu sastāvdaļa.

Ja iedomājaties hipotētisku ūdens molekulas modeļa izskatu, tad tas atspoguļo trīsstūrveida piramīdas formu, kurai ir 4 skaldnes, un katrai sejai ir 3 malas. Ģeometrijā trīsstūrveida piramīdu sauc par tetraedru. Šī struktūra ir raksturīga kristāliem.

Tādējādi ūdens molekula veido spēcīgu leņķisko struktūru, ko tā saglabā pat atrodoties tvaika stāvoklī, uz robežas, lai kļūtu par ledu, un kad tā pārvēršas ledū.

Ja ūdens molekulas “skelets” ir tik stabils, tad nesatricināma stāv arī tās enerģijas “piramīda” – tetraedrs.

Šādas ūdens molekulas strukturālās īpašības dažādos apstākļos ir izskaidrojamas ar stiprām saitēm starp diviem ūdeņraža atomiem un vienu skābekļa atomu. Šī saite ir aptuveni 25 reizes spēcīgāka nekā saite starp blakus esošajām ūdens molekulām. Tāpēc ir vieglāk atdalīt vienu ūdens molekulu no citas, piemēram, karsējot, nekā iznīcināt pašu ūdens molekulu.

Pateicoties orientējošai, induktīvai, dispersijas mijiedarbībai (van der Vāla spēki) un ūdeņraža saitēm starp blakus esošo molekulu ūdeņraža un skābekļa atomiem, ūdens molekulas spēj veidoties kā nejaušas asociētās, t.i. kuriem nav sakārtotas struktūras, un klasteri ir saistīti ar noteiktu struktūru.

Saskaņā ar statistiku, parastajā ūdenī ir nejauši sabiedrotie - 60% (destrukturēts ūdens) un klasteri - 40% (strukturēts ūdens).

Krievu zinātnieka S.V.Zeņina veikto pētījumu rezultātā tika atklātas stabilas, ilgstošas ​​ūdens kopas.

Zenins atklāja, ka ūdens molekulas sākotnēji veido dodekaedru. Četri dodekaedri apvienojas, veidojot galveno ūdens struktūras elementu – kopu, kas sastāv no 57 ūdens molekulām.

Kopā dodekaedriem ir kopīgas sejas, un to centri veido regulāru tetraedru. Tas ir ūdens molekulu, tostarp heksamēru, tilpuma savienojums, kam ir pozitīvi un negatīvi poli.

Ūdeņraža tilti ļauj ūdens molekulām savienoties dažādos veidos. Pateicoties tam, ūdenī ir bezgalīgi daudz dažādu kopu.

Kopas var mijiedarboties savā starpā brīvo ūdeņraža saišu dēļ, kas izraisa otrās kārtas struktūru parādīšanos heksaedru formā. Tās sastāv no 912 ūdens molekulām, kuras praktiski nespēj mijiedarboties. Šādas struktūras kalpošanas laiks ir ļoti ilgs.

Šo struktūru, kas ir līdzīga nelielam asam ledus kristālam ar 6 rombveida skaldnēm, radīja S.V. Zenins to sauca par "galveno ūdens struktūras elementu". Daudzi eksperimenti ir apstiprinājuši, ka ūdenī ir neskaitāmi daudz šādu kristālu.

Šie ledus kristāli praktiski mijiedarbojas viens ar otru, tāpēc tie neveido sarežģītākas stabilas struktūras un viegli slīd sejas viens pret otru, radot plūstamību. Šajā ziņā ūdens atgādina pārdzesētu šķīdumu, kas nevar kristalizēties.