Encontra-se em estado de agregação, que tende a apresentar a forma gasosa ou líquida à temperatura ambiente. As propriedades do gelo começaram a ser estudadas há centenas de anos. Há cerca de duzentos anos, os cientistas descobriram que a água não é um composto simples, mas um elemento químico complexo composto por oxigênio e hidrogênio. Após a descoberta, a fórmula da água passou a ser H2O.

Estrutura de gelo

H 2 O consiste em dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio. Em um estado calmo, o hidrogênio está localizado no topo do átomo de oxigênio. Os íons oxigênio e hidrogênio devem ocupar os vértices de um triângulo isósceles: o oxigênio está localizado no vértice de um ângulo reto. Essa estrutura da água é chamada de dipolo.

O gelo consiste em 11,2% de hidrogênio e o restante é oxigênio. As propriedades do gelo dependem da sua estrutura química. Às vezes contém formações gasosas ou mecânicas - impurezas.

O gelo ocorre na natureza na forma de algumas espécies cristalinas que retêm sua estrutura de forma estável em temperaturas de zero e abaixo, mas em zero e acima ele começa a derreter.

Estrutura de cristal

As propriedades do gelo, da neve e do vapor são completamente diferentes e dependem de No estado sólido, o H 2 O é cercado por quatro moléculas localizadas nos cantos do tetraedro. Como o número de coordenação é baixo, o gelo pode ter uma estrutura aberta. Isso se reflete nas propriedades do gelo e em sua densidade.

Formas de gelo

O gelo é uma das substâncias mais comuns na natureza. Na Terra existem as seguintes variedades:

• rio;
• lago;
• náutico;
• firme;
• geleira;
• chão.

Existe gelo que é formado diretamente por sublimação, ou seja, do estado de vapor. Essa aparência assume uma forma esquelética (nós os chamamos de flocos de neve) e agregados de crescimento dendrítico e esquelético (geada, geada).

Uma das formas mais comuns são as estalactites, ou seja, pingentes de gelo. Eles crescem em todo o mundo: na superfície da Terra, em cavernas. Esse tipo de gelo é formado pelo fluxo de gotículas de água quando a diferença de temperatura é de cerca de zero grau no período outono-primavera.

As formações em forma de faixas de gelo que aparecem ao longo das bordas dos reservatórios, na fronteira entre água e ar, bem como ao longo das bordas das poças, são chamadas de bancos de gelo.

O gelo pode se formar em solos porosos na forma de veios fibrosos.

Propriedades do gelo

Uma substância pode estar em diferentes estados. Com base nisso, surge a pergunta: que propriedade do gelo se manifesta neste ou naquele estado?

Os cientistas distinguem propriedades físicas e mecânicas. Cada um deles possui características próprias.

Propriedades físicas

As propriedades físicas do gelo incluem:

1. Densidade. Na física, um meio não homogêneo é representado pelo limite da razão entre a massa da substância do próprio meio e o volume em que está contido. A densidade da água, como outras substâncias, é função da temperatura e da pressão. Normalmente, os cálculos usam uma densidade constante de água igual a 1000 kg/m3. Um indicador de densidade mais preciso é levado em consideração somente quando é necessário realizar cálculos muito precisos devido à importância do resultado da diferença de densidade resultante.
   No cálculo da densidade do gelo, leva-se em consideração que tipo de água se transformou em gelo: como se sabe, a densidade da água salgada é maior que a da água destilada.
2. Temperatura da água. Geralmente ocorre a uma temperatura de zero graus. Os processos de congelamento ocorrem de forma intermitente com liberação de calor. O processo inverso (derretimento) ocorre quando é absorvida a mesma quantidade de calor que foi liberada, mas sem saltos, mas de forma gradual.
   Na natureza, existem condições sob as quais a água é super-resfriada, mas não congela. Alguns rios retêm água líquida mesmo a uma temperatura de -2 graus.
3. a quantidade de calor que é absorvida quando um corpo é aquecido em cada grau. Existe uma capacidade térmica específica, que se caracteriza pela quantidade de calor necessária para aquecer um quilograma de água destilada em um grau.
4. Compressibilidade. Outra propriedade física da neve e do gelo é a compressibilidade, que afeta a diminuição do volume sob a influência do aumento da pressão externa. A quantidade recíproca é chamada de elasticidade.
5. Força do gelo.
6. Cor de gelo. Esta propriedade depende da absorção da luz e da dispersão dos raios, bem como da quantidade de impurezas na água congelada. O gelo de rios e lagos sem impurezas estranhas é visível na luz azul suave. O gelo marinho pode ser completamente diferente: azul, verde, índigo, branco, marrom ou ter um tom metálico. Às vezes você pode ver gelo preto. Adquire esta cor devido à grande quantidade de minerais e diversas impurezas orgânicas.

Propriedades mecânicas do gelo

As propriedades mecânicas do gelo e da água são determinadas pela sua resistência à influência do ambiente externo em relação a uma unidade de área. As propriedades mecânicas dependem da estrutura, salinidade, temperatura e porosidade.

O gelo é uma formação plástica elástica, viscosa, mas há condições sob as quais ele se torna duro e muito quebradiço.

O gelo marinho e o gelo de água doce são diferentes: o primeiro é muito mais flexível e menos durável.

Ao passar por navios, as propriedades mecânicas do gelo devem ser levadas em consideração. Isto também é importante ao usar estradas de gelo, cruzamentos e muito mais.

Água, neve e gelo possuem propriedades semelhantes que determinam as características da substância. Mas, ao mesmo tempo, essas leituras são influenciadas por muitos outros fatores: temperatura ambiente, impurezas no sólido, bem como a composição inicial do líquido. O gelo é uma das substâncias mais interessantes da Terra.

A água é uma substância familiar e incomum. Quase 3/4 da superfície do nosso planeta é ocupada por oceanos e mares. A água dura - neve e gelo - cobre 20% da terra. O clima do planeta depende da água. Os geofísicos dizem que A terra já teria esfriado há muito tempo e se transformado em um pedaço de pedra sem vida, se não fosse pela água. Tem uma capacidade térmica muito elevada. Quando aquecido, absorve calor; esfriando, ele entrega. A água da Terra absorve e devolve muito calor e, assim, “equilibra” o clima. E o que protege a Terra do frio cósmico são aquelas moléculas de água que ficam espalhadas na atmosfera – nas nuvens e na forma de vapor.

A água é a substância mais misteriosa da natureza depois do DNA, possuindo propriedades únicas que não apenas ainda não foram totalmente explicadas, mas estão longe de ser todas conhecidas. Quanto mais tempo é estudado, mais novas anomalias e mistérios são encontrados nele. A maioria dessas anomalias que tornam a vida possível na Terra são explicadas pela presença de ligações de hidrogênio entre as moléculas de água, que são muito mais fortes do que as forças de atração de van der Waals entre moléculas de outras substâncias, mas uma ordem de magnitude mais fraca do que as forças iônicas e covalentes. ligações entre átomos em moléculas. As mesmas ligações de hidrogênio também estão presentes na molécula de DNA.

Uma molécula de água (H 2 16 O) consiste em dois átomos de hidrogênio (H) e um átomo de oxigênio (16 O). Acontece que quase toda a variedade de propriedades da água e a incomum de sua manifestação são determinadas, em última análise, pela natureza física desses átomos, pela forma como são combinados em uma molécula e pelo agrupamento das moléculas resultantes.

Arroz. Estrutura de uma molécula de água . Diagrama geométrico (a), modelo plano (b) e estrutura eletrônica espacial (c) do monômero H2O. Dois dos quatro elétrons na camada externa do átomo de oxigênio estão envolvidos na criação de ligações covalentes com átomos de hidrogênio, e os outros dois formam órbitas de elétrons altamente alongadas, cujo plano é perpendicular ao plano H-O-H.

A molécula de água H 2 O é construída na forma de um triângulo: o ângulo entre as duas ligações oxigênio-hidrogênio é de 104 graus. Mas como ambos os átomos de hidrogênio estão localizados no mesmo lado do oxigênio, as cargas elétricas nele contidas são dispersas. A molécula de água é polar, razão pela qual existe uma interação especial entre suas diferentes moléculas. Os átomos de hidrogênio na molécula de H 2 O, tendo carga parcial positiva, interagem com os elétrons dos átomos de oxigênio das moléculas vizinhas. Essa ligação química é chamada de ligação de hidrogênio. Ele une moléculas de H 2 O em associados únicos de estrutura espacial; o plano no qual as ligações de hidrogênio estão localizadas é perpendicular ao plano dos átomos da mesma molécula de H 2 O. A interação entre as moléculas de água explica principalmente as temperaturas anormalmente altas de sua fusão e ebulição. Energia adicional deve ser fornecida para afrouxar e depois destruir as ligações de hidrogênio. E esta energia é muito significativa. É por isso que a capacidade térmica da água é tão alta.

Uma molécula de água contém duas ligações covalentes polares H – O. Eles são formados devido à sobreposição de duas nuvens p de um elétron de um átomo de oxigênio e nuvens S de um elétron de dois átomos de hidrogênio.

De acordo com a estrutura eletrônica dos átomos de hidrogênio e oxigênio, uma molécula de água possui quatro pares de elétrons. Dois deles estão envolvidos na formação de ligações covalentes com dois átomos de hidrogênio, ou seja, são vinculativos. Os outros dois pares de elétrons são livres - não ligantes. Eles formam uma nuvem de elétrons. A nuvem é heterogênea - concentrações e rarefações individuais podem ser distinguidas nela.

Uma molécula de água tem quatro cargas polares: duas positivas e duas negativas. As cargas positivas estão concentradas nos átomos de hidrogênio, uma vez que o oxigênio é mais eletronegativo que o hidrogênio. Os dois pólos negativos vêm de dois pares de elétrons de oxigênio não ligados.

Um excesso de densidade eletrônica é criado no núcleo de oxigênio. O par de elétrons interno do oxigênio enquadra uniformemente o núcleo: esquematicamente é representado por um círculo com o centro - o núcleo O 2-. Os quatro elétrons externos são agrupados em dois pares de elétrons que gravitam em direção ao núcleo, mas são parcialmente não compensados. Esquematicamente, os orbitais eletrônicos totais desses pares são mostrados na forma de elipses alongadas a partir de um centro comum - o núcleo O 2-. Cada um dos dois elétrons restantes no oxigênio emparelha com um elétron no hidrogênio. Esses vapores também gravitam em direção ao núcleo de oxigênio. Portanto, os núcleos de hidrogênio - prótons - revelam-se um tanto nus, e aqui é observada uma falta de densidade eletrônica.

Assim, em uma molécula de água existem quatro pólos de carga: dois negativos (excesso de densidade eletrônica na região do núcleo de oxigênio) e dois positivos (falta de densidade eletrônica nos dois núcleos de hidrogênio). Para maior clareza, podemos imaginar que os pólos ocupam os vértices de um tetraedro deformado, no centro do qual existe um núcleo de oxigênio.

Arroz. Estrutura de uma molécula de água: a – ângulo entre as ligações O-H; b – localização dos postes de carga; c – aparecimento da nuvem eletrônica de uma molécula de água.

A molécula de água quase esférica tem uma polaridade visivelmente pronunciada, uma vez que as cargas elétricas nela estão localizadas de forma assimétrica. Cada molécula de água é um dipolo em miniatura com um momento dipolar alto de 1,87 deBy. Debye é uma unidade fora do sistema de dipolo elétrico 3,33564·10 30 C·m. Sob a influência de dipolos de água, as forças interatômicas ou intermoleculares na superfície de uma substância nela imersa são enfraquecidas em 80 vezes. Em outras palavras, a água tem uma constante dielétrica elevada, a mais alta de todos os compostos que conhecemos.

Em grande parte devido a isso, a água se manifesta como um solvente universal. Sólidos, líquidos e gases estão sujeitos à sua ação dissolvente em um grau ou outro.

A capacidade térmica específica da água é a mais alta de todas as substâncias. Além disso, é 2 vezes maior que a do gelo, enquanto para a maioria das substâncias simples (por exemplo, metais) a capacidade térmica praticamente não muda durante o processo de fusão, e para substâncias feitas de moléculas poliatômicas ela, via de regra, diminui durante a fusão.

Tal compreensão da estrutura da molécula permite explicar muitas propriedades da água, em particular a estrutura do gelo. Na estrutura do cristal de gelo, cada molécula é cercada por outras quatro. Em uma imagem plana, isso pode ser representado da seguinte forma:

A ligação entre as moléculas é realizada através de um átomo de hidrogênio. O átomo de hidrogênio carregado positivamente de uma molécula de água é atraído pelo átomo de oxigênio carregado negativamente de outra molécula de água. Essa ligação é chamada de ligação de hidrogênio (é designada por pontos). A força de uma ligação de hidrogênio é aproximadamente 15-20 vezes mais fraca que uma ligação covalente. Portanto, a ligação de hidrogênio é facilmente quebrada, o que é observado, por exemplo, durante a evaporação da água.

Arroz. esquerda - Ligações de hidrogênio entre moléculas de água

A estrutura da água líquida se assemelha à do gelo. Na água líquida, as moléculas também estão conectadas entre si através de ligações de hidrogênio, mas a estrutura da água é menos “rígida” que a do gelo. Devido ao movimento térmico das moléculas na água, algumas ligações de hidrogênio são quebradas e outras são formadas.

Arroz. Estrutura cristalina de gelo. As moléculas de água H 2 O (bolas pretas) em seus nós estão localizadas de forma que cada uma tenha quatro “vizinhos”.

A polaridade das moléculas de água e a presença nelas de cargas elétricas parcialmente descompensadas dão origem a uma tendência de agrupar as moléculas em grandes “comunidades” - associadas. Acontece que apenas a água no estado de vapor corresponde totalmente à fórmula H2O. Isso foi demonstrado pelos resultados da determinação da massa molecular do vapor d'água. Na faixa de temperatura de 0 a 100°C, a concentração de indivíduos (moléculas monoméricas) de água líquida não excede 1%. Todas as outras moléculas de água são combinadas em associados de vários graus de complexidade, e sua composição é descrita pela fórmula geral (H 2 O)x.

A causa direta da formação de associados são as ligações de hidrogênio entre as moléculas de água. Eles surgem entre os núcleos de hidrogênio de algumas moléculas e as “condensações” eletrônicas dos núcleos de oxigênio de outras moléculas de água. É verdade que estas ligações são dezenas de vezes mais fracas do que as ligações químicas intramoleculares “padrão”, e os movimentos moleculares normais são suficientes para destruí-las. Mas sob a influência de vibrações térmicas, novas conexões desse tipo surgem com a mesma facilidade. O surgimento e o declínio dos associados podem ser expressos pelo seguinte diagrama:

x·H 2 O↔ (H 2 O) x

Como os orbitais de elétrons em cada molécula de água formam uma estrutura tetraédrica, as ligações de hidrogênio podem organizar o arranjo das moléculas de água em associados coordenados tetraédricos.

A maioria dos pesquisadores explica a capacidade térmica anormalmente elevada da água líquida pelo fato de que, quando o gelo derrete, sua estrutura cristalina não entra em colapso imediatamente. Na água líquida, as ligações de hidrogênio entre as moléculas são preservadas. O que resta nele são fragmentos de gelo – associados a um grande ou menor número de moléculas de água. No entanto, ao contrário do gelo, cada associado não existe por muito tempo. A destruição de alguns e a formação de outros associados ocorre constantemente. A cada valor de temperatura na água, seu próprio equilíbrio dinâmico é estabelecido neste processo. E quando a água é aquecida, parte do calor é gasta na quebra das ligações de hidrogênio nos associados. Nesse caso, 0,26-0,5 eV são gastos na quebra de cada ligação. Isto explica a capacidade térmica anormalmente elevada da água em comparação com os fundidos de outras substâncias que não formam ligações de hidrogénio. Ao aquecer esses fundidos, a energia é gasta apenas na transmissão de movimentos térmicos aos seus átomos ou moléculas. As ligações de hidrogênio entre as moléculas de água são completamente quebradas somente quando a água se transforma em vapor. A correção deste ponto de vista também é indicada pelo fato de que a capacidade térmica específica do vapor de água a 100°C praticamente coincide com a capacidade térmica específica do gelo a 0°C.

Imagem abaixo:

O elemento estrutural elementar de um associado é um cluster: Arroz. Um aglomerado de água hipotético separado. Aglomerados individuais formam associados de moléculas de água (H 2 O) x: Arroz. Aglomerados de moléculas de água formam associados.

Há outro ponto de vista sobre a natureza da capacidade térmica anormalmente alta da água. O professor G.N. Zatsepina observou que a capacidade térmica molar da água, no valor de 18 cal/(molgrad), é exatamente igual à capacidade térmica molar teórica de um sólido com cristais triatômicos. E de acordo com a lei de Dulong e Petit, as capacidades térmicas atômicas de todos os corpos cristalinos quimicamente simples (monoatômicos) a uma temperatura suficientemente alta são as mesmas e iguais a 6 calDmol o deg). E para os triatômicos, cujo gramamol contém 3 N a sítios da rede cristalina, é 3 vezes mais. (Aqui N a é o número de Avogadro).

Segue-se que a água é, por assim dizer, um corpo cristalino que consiste em moléculas triatômicas de H 2 0. Isso corresponde à ideia comum de água como uma mistura de associados semelhantes a cristais com uma pequena mistura de moléculas de água livres de H 2 O. entre eles, cujo número aumenta com o aumento da temperatura. Deste ponto de vista, o que surpreende não é a alta capacidade calorífica da água líquida, mas a baixa capacidade calorífica do gelo sólido. A diminuição da capacidade térmica específica da água durante o congelamento é explicada pela ausência de vibrações térmicas transversais dos átomos na estrutura cristalina rígida do gelo, onde cada próton que causa uma ligação de hidrogênio tem apenas um grau de liberdade para vibrações térmicas em vez de três. .

Mas por que e como podem ocorrer mudanças tão grandes na capacidade calorífica da água sem mudanças correspondentes na pressão? Para responder a esta pergunta, vamos nos encontrar com a hipótese do candidato às ciências geológicas e mineralógicas Yu. A. Kolyasnikov sobre a estrutura da água.

Ele ressalta que os descobridores das ligações de hidrogênio, J. Bernal e R. Fowler, em 1932 compararam a estrutura da água líquida com a estrutura cristalina do quartzo, e os associados mencionados acima são principalmente tetrâmeros 4H 2 0, nos quais existem quatro moléculas de água estão conectadas em um tetraedro compacto com doze ligações de hidrogênio internas. Como resultado, forma-se um tetraedro.

Ao mesmo tempo, as ligações de hidrogênio nesses tetrâmeros podem formar sequências destras e canhotas, assim como os cristais de quartzo generalizado (Si0 2), que também possuem uma estrutura tetraédrica, vêm em formas cristalinas destras e canhotas. . Como cada tetrâmero de água também possui quatro ligações de hidrogênio externas não utilizadas (como uma molécula de água), os tetrâmeros podem ser conectados por essas ligações externas em uma espécie de cadeia polimérica, como uma molécula de DNA. E como existem apenas quatro ligações externas e 3 vezes mais ligações internas, isso permite que tetrâmeros pesados ​​e fortes na água líquida dobrem, girem e até mesmo quebrem essas ligações externas de hidrogênio enfraquecidas por vibrações térmicas. Isso determina a fluidez da água.

A água, segundo Kolyasnikov, possui essa estrutura apenas no estado líquido e, possivelmente, parcialmente no estado de vapor. Mas no gelo, cuja estrutura cristalina foi bem estudada, os tetrahidróis são conectados uns aos outros por ligações diretas de hidrogênio inflexíveis e igualmente fortes em uma estrutura aberta com grandes vazios, o que torna a densidade do gelo menor que a densidade da água .

Arroz. Estrutura cristalina do gelo: as moléculas de água estão conectadas em hexágonos regulares

Quando o gelo derrete, algumas das ligações de hidrogênio enfraquecem e dobram, o que leva a uma reestruturação da estrutura nos tetrâmeros descritos acima e torna a água líquida mais densa que o gelo. A 4°C, ocorre um estado em que todas as ligações de hidrogénio entre tetrâmeros são dobradas ao máximo, o que determina a densidade máxima da água a esta temperatura. Não há nenhum lugar para as conexões irem mais longe.

A temperaturas acima de 4°C, as ligações individuais entre tetrâmeros começam a quebrar, e a 36-37°C, metade das ligações de hidrogénio externas são quebradas. Isso determina o mínimo na curva da capacidade térmica específica da água em função da temperatura. A uma temperatura de 70°C, quase todas as ligações intertetrâmeros são quebradas e, junto com os tetrâmeros livres, apenas pequenos fragmentos de cadeias “poliméricas” deles permanecem na água. Finalmente, quando a água ferve, ocorre a ruptura final dos agora tetrâmeros únicos em moléculas individuais de H 2 0 e o fato de que o calor específico de evaporação da água é exatamente 3 vezes maior que a soma dos calores específicos do derretimento do gelo e do aquecimento subsequente. de água a 100 ° C confirma a suposição de Kolyasnikov Sobre. que o número de ligações internas em um tetrâmero é 3 vezes maior que o número de ligações externas.

Esta estrutura helicoidal tetraédrica da água pode ser devida à sua antiga ligação reológica com o quartzo e outros minerais silício-oxigênio que predominam na crosta terrestre, de cujas profundezas a água apareceu na Terra. Assim como um pequeno cristal de sal faz com que a solução que o cerca se cristalize em cristais semelhantes, e não em outros, o quartzo fez com que as moléculas de água se alinhassem em estruturas tetraédricas, que são energeticamente mais favoráveis. E em nossa época, na atmosfera terrestre, o vapor d'água, condensando-se em gotículas, forma essa estrutura porque a atmosfera sempre contém minúsculas gotículas de água em aerossol que já possuem essa estrutura. São centros de condensação do vapor d'água na atmosfera. Abaixo estão possíveis estruturas de cadeia de silicato baseadas no tetraedro, que também podem ser compostas por tetraedros de água.

Arroz. Tetraedro regular elementar de silício-oxigênio SiO 4 4-.

Arroz. Unidades elementares de silício-oxigênio-ortogrupos SiO 4 4- na estrutura da enstatita Mg-piroxênio (a) e grupos diorto Si 2 O 7 6- na volastonita Ca-piroxenóide (b).

Arroz. Os tipos mais simples de grupos aniônicos ilha silício-oxigênio: a-SiO 4, b-Si 2 O 7, c-Si 3 O 9, d-Si 4 O 12, d-Si 6 O 18.

Arroz. abaixo - Os tipos mais importantes de grupos aniônicos da cadeia silício-oxigênio (de acordo com Belov): a-metagermanato, b - piroxênio, c - batisita, d-wollastonita, d-vlasovita, e-melilita, f-rodonita, z-piroxmangita , i-metafosfato, k - fluoroberilato, l - barilita.

Arroz. abaixo - Condensação de ânions piroxênio silício-oxigênio em anfibólio de duas fileiras em favo de mel (a), semelhante a anfibólio de três fileiras (b), talco em camadas e ânions relacionados (c).

Arroz. abaixo - Os tipos mais importantes de grupos bandados silício-oxigênio (de acordo com Belov): a - silimanita, anfibólio, xonotlita; b-epididimite; β-ortoclásio; g-narsarsukita; d-fenacite prismático; e-euclásio incrustado.

Arroz. à direita - Um fragmento (pacote elementar) da estrutura cristalina em camadas da muscovita KAl 2 (AlSi 3 O 10 XOH) 2, ilustrando a intercalação de redes de alumínio-silício-oxigênio com camadas poliédricas de grandes cátions de alumínio e potássio, reminiscentes de uma cadeia de DNA.

Outros modelos de estrutura hídrica também são possíveis. Moléculas de água ligadas tetraedricamente formam cadeias peculiares de composição bastante estável. Os investigadores estão a descobrir mecanismos cada vez mais subtis e complexos de “organização interna” da massa de água. Além da estrutura semelhante ao gelo, água líquida e moléculas de monômero, um terceiro elemento da estrutura também é descrito - não tetraédrico.

Uma certa parte das moléculas de água não está associada em estruturas tridimensionais, mas em associações lineares de anéis. Os anéis, quando agrupados, formam complexos de associados ainda mais complexos.

Assim, a água pode teoricamente formar cadeias, como uma molécula de DNA, como será discutido a seguir. Outra coisa interessante sobre esta hipótese é que ela implica a probabilidade igual da existência de água para destros e canhotos. Mas os biólogos há muito notaram que apenas formações canhotas ou destras são observadas em tecidos e estruturas biológicas. Um exemplo disso são as moléculas de proteína, construídas apenas a partir de aminoácidos canhotos e torcidas apenas em uma espiral canhota. Mas os açúcares na natureza são todos destros. Ninguém ainda foi capaz de explicar por que na natureza viva existe tal preferência pela esquerda em alguns casos e pela direita em outros. Na verdade, na natureza inanimada, tanto moléculas destras quanto canhotas são encontradas com igual probabilidade.

Há mais de cem anos, o famoso naturalista francês Louis Pasteur descobriu que os compostos orgânicos em plantas e animais são opticamente assimétricos - eles giram o plano de polarização da luz que incide sobre eles. Todos os aminoácidos que constituem os animais e as plantas giram o plano de polarização para a esquerda e todos os açúcares giram para a direita. Se sintetizarmos compostos com a mesma composição química, cada um deles conterá um número igual de moléculas canhotas e destras.

Como você sabe, todos os organismos vivos consistem em proteínas e estas, por sua vez, são feitas de aminoácidos. Ao combinarem-se entre si em uma variedade de sequências, os aminoácidos formam longas cadeias peptídicas que “torcem-se” espontaneamente em moléculas de proteínas complexas. Como muitos outros compostos orgânicos, os aminoácidos possuem simetria quiral (do grego chiros - mão), ou seja, podem existir em duas formas espelhadas simétricas chamadas “enantiômeros”. Essas moléculas são semelhantes entre si, como as mãos esquerda e direita, por isso são chamadas de moléculas D e L (do latim dexter, laevus - direita e esquerda).

Agora vamos imaginar que um meio com moléculas esquerda e direita passou para um estado com apenas moléculas esquerdas ou apenas moléculas direitas. Os especialistas chamam esse ambiente de quiralmente (da palavra grega “cheira” - mão) ordenado. A auto-reprodução dos seres vivos (biopoiese - conforme definida por D. Bernal) poderia surgir e ser mantida apenas em tal ambiente.

Arroz. Simetria de espelho na natureza

Outro nome para moléculas de enantiômeros - "dextrógiras" e "levógiras" - vem de sua capacidade de girar o plano de polarização da luz em diferentes direções. Se a luz polarizada linearmente passar por uma solução de tais moléculas, o plano de sua polarização gira: no sentido horário se as moléculas na solução forem destras e no sentido anti-horário se as moléculas na solução forem canhotas. E em uma mistura de quantidades iguais de formas D e L (chamadas de “racemate”), a luz manterá sua polarização linear original. Esta propriedade óptica das moléculas quirais foi descoberta pela primeira vez por Louis Pasteur em 1848.

É curioso que quase todas as proteínas naturais consistam apenas de aminoácidos canhotos. Este fato é ainda mais surpreendente porque a síntese de aminoácidos em condições de laboratório produz aproximadamente o mesmo número de moléculas destras e canhotas. Acontece que não apenas os aminoácidos possuem esse recurso, mas também muitas outras substâncias importantes para os sistemas vivos, e cada uma tem um sinal estritamente definido de simetria espelhada em toda a biosfera. Por exemplo, os açúcares que fazem parte de muitos nucleotídeos, bem como os ácidos nucléicos DNA e RNA, são representados no corpo exclusivamente por moléculas D destras. Embora as propriedades físicas e químicas dos “antípodas-espelho” sejam as mesmas, sua atividade fisiológica nos organismos é diferente: o L-caxara não é absorvido, a L-fenilalanina, ao contrário de suas inofensivas moléculas D, causa doenças mentais, etc.

De acordo com as ideias modernas sobre a origem da vida na Terra, a escolha de um certo tipo de simetria espelhada pelas moléculas orgânicas serviu como principal pré-requisito para sua sobrevivência e posterior auto-reprodução. No entanto, a questão de como e por que ocorreu a seleção evolutiva de um ou outro antípoda espelhado ainda permanece um dos maiores mistérios da ciência.

O cientista soviético L.L. Morozov provou que a transição para a ordem quiral não poderia ocorrer evolutivamente, mas apenas com alguma mudança de fase acentuada específica. O acadêmico V.I. Goldansky chamou essa transição, graças à qual a vida na Terra se originou, de catástrofe quiral.

Como surgiram as condições para a catástrofe de fase que causou a transição quiral?

O mais importante foi que os compostos orgânicos derreteram a 800-1000 0C na crosta terrestre, e os superiores esfriaram até a temperatura do espaço, ou seja, o zero absoluto. A diferença de temperatura atingiu 1000 °C. Sob tais condições, as moléculas orgânicas derreteram sob a influência da alta temperatura e foram completamente destruídas, e o topo permaneceu frio enquanto as moléculas orgânicas congelavam. Gases e vapor d'água que vazaram da crosta terrestre alteraram a composição química dos compostos orgânicos. Os gases carregavam calor com eles, fazendo com que a linha de fusão da camada orgânica se movesse para cima e para baixo, criando um gradiente.

Em pressões atmosféricas muito baixas, a água estava na superfície da Terra apenas na forma de vapor e gelo. Quando a pressão atingiu o chamado ponto triplo da água (0,006 atmosferas), a água pôde pela primeira vez existir na forma de líquido.

É claro que só experimentalmente se pode provar o que exatamente causou a transição quiral: razões terrestres ou cósmicas. Mas, de uma forma ou de outra, em algum momento, as moléculas ordenadas quiralmente (ou seja, aminoácidos levógiro e açúcares dextrógiro) revelaram-se mais estáveis ​​​​e começou um aumento imparável no seu número - uma transição quiral.

A crônica do planeta também conta que naquela época não existiam montanhas ou depressões na Terra. A crosta granítica semifundida apresentava uma superfície tão lisa quanto o nível do oceano moderno. No entanto, dentro desta planície ainda existiam depressões devido à distribuição desigual de massas dentro da Terra. Estas reduções desempenharam um papel extremamente importante.

O fato é que depressões de fundo plano com centenas e até milhares de quilômetros de diâmetro e não mais de cem metros de profundidade provavelmente se tornaram o berço da vida. Afinal, a água que se acumulou na superfície do planeta fluiu para eles. A água diluiu os compostos orgânicos quirais na camada de cinzas. A composição química do composto mudou gradualmente e a temperatura estabilizou. A transição do inanimado para o vivo, que começou em condições anidras, continuou no ambiente aquático.

É este o enredo da origem da vida? Muito provavelmente sim. Na seção geológica de Isua (Groenlândia Ocidental), com 3,8 bilhões de anos, foram encontrados compostos semelhantes à gasolina e ao petróleo com a razão isotópica C12/C13 característica do carbono de origem fotossintética.

Se a natureza biológica dos compostos de carbono da seção Isua for confirmada, verifica-se que todo o período da origem da vida na Terra - desde o surgimento da matéria orgânica quiral até o surgimento de uma célula capaz de fotossíntese e reprodução - foi concluído em apenas cem milhões de anos. E as moléculas de água e o DNA desempenharam um papel importante nesse processo.

A coisa mais surpreendente sobre a estrutura da água é que as moléculas de água em baixas temperaturas negativas e altas pressões dentro dos nanotubos podem cristalizar em uma forma de dupla hélice, que lembra o DNA. Isso foi comprovado por experimentos computacionais de cientistas americanos liderados por Xiao Cheng Zeng, da Universidade de Nebraska (EUA).

O DNA é uma fita dupla torcida em espiral. Cada thread consiste em “tijolos” - nucleotídeos conectados em série. Cada nucleotídeo do DNA contém uma das quatro bases nitrogenadas - guanina (G), adenina (A) (purinas), timina (T) e citosina (C) (pirimidinas), associadas à desoxirribose, a esta última, por sua vez, um fosfato grupo está anexado. Os nucleotídeos vizinhos são conectados entre si em uma cadeia por uma ligação fosfodiéster formada por grupos 3"-hidroxila (3"-OH) e 5"-fosfato (5"-PO3). Esta propriedade determina a presença de polaridade no DNA, ou seja, direções opostas, ou seja, extremidades de 5" e 3": a extremidade de 5" de um fio corresponde à extremidade de 3" do segundo fio. A sequência de nucleotídeos permite “codificar” informações sobre vários tipos de RNA, sendo os mais importantes o mensageiro ou molde (mRNA), o ribossômico (rRNA) e o de transporte (tRNA). Todos esses tipos de RNA são sintetizados em um modelo de DNA, copiando uma sequência de DNA em uma sequência de RNA sintetizada durante a transcrição e participam do processo mais importante da vida - a transferência e cópia de informações (tradução).

A estrutura primária do DNA é a sequência linear de nucleotídeos do DNA em uma cadeia. A sequência de nucleotídeos em uma cadeia de DNA é escrita na forma de uma letra de fórmula de DNA: por exemplo - AGTCATGCCAG, a entrada é feita da extremidade 5" a 3" da cadeia de DNA.

A estrutura secundária do DNA é formada devido às interações dos nucleotídeos (principalmente bases nitrogenadas) entre si, ligações de hidrogênio. Um exemplo clássico de estrutura secundária do DNA é a dupla hélice do DNA. A dupla hélice do DNA é a forma mais comum de DNA na natureza, consistindo em duas cadeias polinucleotídicas de DNA. A construção de cada nova cadeia de DNA é realizada de acordo com o princípio da complementaridade, ou seja, Cada base nitrogenada de uma cadeia de DNA corresponde a uma base estritamente definida de outra cadeia: em um par complementar, o oposto A é T, e o oposto G é C, etc.

Para que a água formasse uma espiral como essa, em um experimento simulado ela foi “colocada” em nanotubos sob alta pressão, variando em diferentes experimentos de 10 a 40 mil atmosferas. Após isso, foi ajustada a temperatura, que teve valor de -23°C. A margem em relação ao ponto de congelamento da água foi feita devido ao fato de que com o aumento da pressão o ponto de fusão do gelo da água diminui. O diâmetro dos nanotubos variou de 1,35 a 1,90 nm.

Arroz. Visão geral da estrutura da água (imagem da New Scientist)

As moléculas de água são interconectadas por meio de ligações de hidrogênio, a distância entre os átomos de oxigênio e hidrogênio é de 96 pm, e entre dois hidrogênios é de 150 pm. No estado sólido, o átomo de oxigênio participa da formação de duas ligações de hidrogênio com moléculas de água vizinhas. Nesse caso, moléculas individuais de H 2 O entram em contato umas com as outras com pólos opostos. Assim, formam-se camadas nas quais cada molécula está associada a três moléculas de sua camada e uma da vizinha. Como resultado, a estrutura cristalina do gelo consiste em “tubos” hexagonais interligados como um favo de mel.

Arroz. Parede interna de uma estrutura de água (imagem da New Scientist)

Os cientistas esperavam ver que a água em todos os casos forma uma estrutura tubular fina. No entanto, o modelo mostrou que com um diâmetro de tubo de 1,35 nm e uma pressão de 40.000 atmosferas, as ligações de hidrogênio foram dobradas, levando à formação de uma hélice de parede dupla. A parede interna desta estrutura é uma hélice quádrupla, e a parede externa consiste em quatro hélices duplas, semelhantes à estrutura da molécula de DNA.

Este último facto deixa uma marca não só na evolução das nossas ideias sobre a água, mas também na evolução do início da vida e da própria molécula de ADN. Se assumirmos que na era da origem da vida as rochas argilosas criolitas tinham o formato de nanotubos, surge a pergunta: a água nelas absorvida poderia servir de base estrutural (matriz) para a síntese de DNA e leitura de informações? Talvez seja por isso que a estrutura helicoidal do DNA repete a estrutura helicoidal da água nos nanotubos. Como relata a revista New Scientist, agora nossos colegas estrangeiros terão que confirmar a existência de tais macromoléculas de água sob condições experimentais reais usando espectroscopia infravermelha e espectroscopia de espalhamento de nêutrons.

Ph.D. O.V. Mosin

Estrutura de gelo. As ligações de hidrogênio também existem em cristais de gelo. Mas aqui o sistema de tais conexões é estático e, portanto, ainda mais forte do que na água líquida. Esta é a razão para a temperatura de fusão anormalmente alta e o calor específico de fusão do gelo. Nos cristais de gelo, cada molécula de água está conectada por ligações de hidrogênio a quatro moléculas vizinhas. Esta estrutura é aberta - há muitos “vazios” nela. É por isso que a densidade do gelo é comparativamente baixa. Quando o gelo derrete, alguns dos “vazios” são preenchidos com moléculas “simples” e “duplas” de HO que já foram liberadas da rede cristalina. Portanto, a densidade da água é maior que a do gelo. O volume de gelo é 10% maior que o volume de água. 2.

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Propriedades da água

“Água e suas propriedades” - Provérbios sobre a água. Malkarova Fátima, aluna do 2º ano com a tia. Não há necessidade de desperdiçar água em vão. V.A. O calor faz a água ferver. Onde a água corre, ela encontrará o seu caminho. Onde você não deixa entrar água, ele encontrará um caminho para si mesmo. Normalmente, as plantas e os animais contêm mais de 50% de água em peso. Metas do projeto. Em março há água, em abril há grama.

“Lição Propriedades da Água” - Disciplina acadêmica: ciências naturais. Condições da água na natureza. Questões problemáticas. A água é a principal riqueza do mundo. A água é a fonte da vida. Tópicos de pesquisa. Sem o qual não haverá vida na Terra? Finalidade didática. Desenvolver conhecimentos sobre as condições de transformação da água - a transição de um estado para outro.

“Propriedades da água” - Para que não haja problemas - Não podemos viver sem... Uma pessoa pode viver sem água? Responda às questões e anote as letras com as respostas corretas: 1. Transparente. Mas tal ameaça existe. Água. Como a primeira foto é diferente da segunda? Empate. Lição do mundo circundante 3ª série. Tópico da lição. O que é que a mãe não consegue cozinhar ou lavar roupa?

“Propriedades da Água na Escola Primária” - Assume a forma de qualquer recipiente. A água está em estado gasoso. Insípido. O mundo ao nosso redor, 2ª série. Tópico da lição: “Água”. Não é transparente. Não tem cheiro. Observe as propriedades da água. Não tem cor. Olha o que o artista esqueceu de desenhar? Água não filtrada. Pense nas consequências das situações retratadas.

“Propriedades físicas da água” - Água. A água tem a maior capacidade de calor específico. Substância. Estrutura de gelo. A existência de água. Moléculas dipolo. Estrutura molecular. A água vem em primeiro lugar entre as substâncias que constituem a célula. O que sabemos sobre a água? Calor específico de congelamento. Gelo. A mudança na densidade da água também é anormal.

“Propriedades e significado da água” - Há uma agitação no quintal. Solvente. Consegui sair do chão. Eu não estou indo a lugar nenhum. Cor. A água “produz” corrente elétrica. Água. Propriedades e significado da água. A estrada maior e mais conveniente. Milhares de barcos de pesca. Nossas mãos estão cobertas de esmalte. Gota limpa. Você não pode amassar massa de pão sem água. Fluidez. Brilha na hora.

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Ph.D.

MODERNO MODELO DE ÁGUA

Se fizermos uma breve excursão ao curso de química escolar, lembraremos que dois pares de elétrons formam ligações covalentes polares entre átomos de hidrogênio e oxigênio, e os dois pares de elétrons restantes permanecem livres e são chamados não compartilhado. A molécula de água tem uma estrutura angular, o ângulo H – O – H é de 104,5 graus.

Arroz. Molécula de água

Como o átomo de oxigênio tem mais elétrons (os químicos dizem que o átomo de oxigênio é mais eletronegativo) do que o átomo de hidrogênio, os elétrons dos dois átomos de hidrogênio se deslocam em direção ao átomo de oxigênio mais eletronegativo, fazendo com que as duas cargas positivas dos átomos de hidrogênio se anulem. o valor igual dos dois átomos de hidrogênio com carga negativa no átomo de oxigênio. Portanto, a nuvem eletrônica tem uma densidade não uniforme. Há falta de densidade eletrônica perto dos núcleos de hidrogênio, e no lado oposto da molécula, próximo ao núcleo de oxigênio, há excesso de densidade eletrônica. Isso faz com que a molécula de água seja um pequeno dipolo contendo cargas positivas e negativas nos pólos. É esta estrutura que determina a polaridade da molécula de água. Se você conectar os epicentros de cargas positivas e negativas com linhas retas, obterá uma figura geométrica tridimensional - um tetraedro regular. Mas tal tetraedro é apenas o primeiro nível básico da estrutura da água.

Arroz. Estrutura de uma molécula de água: a) angular; b) bola; c) tetraédrico

O segundo nível de organização química da água é determinado pela capacidade dos tetraedros da água de formar ligações especiais, chamadas ligações de hidrogênio, que ligam moléculas individuais entre si em associados.

A ligação de hidrogênio é de importância global na química das interações intermoleculares e é causada principalmente por forças e influências eletrostáticas fracas. Ocorre quando um átomo de hidrogênio desprovido de elétrons de uma molécula de água interage com um par de elétrons isolado de um átomo de oxigênio de uma molécula de água vizinha.

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Arroz. Cada molécula de água é capaz de formar ligações de hidrogênio com quatro moléculas vizinhas

Na estrutura cristalina do gelo, cada molécula participa de 4 ligações de hidrogênio direcionadas aos vértices do tetraedro. No centro deste tetraedro está um átomo de oxigênio, em dois vértices há um átomo de hidrogênio, cujos elétrons estão envolvidos na formação de uma ligação covalente com o oxigênio. Os dois vértices restantes são ocupados por pares de elétrons de valência do oxigênio, que não participam da formação de ligações intramoleculares.

Arroz . Ligações de hidrogênio na rede cristalina de gelo

Ao contrário do gelo, na água líquida as ligações de hidrogénio são facilmente quebradas e rapidamente reformadas, tornando a estrutura da água extremamente variável. É graças a estas ligações que os associados únicos da água – os seus elementos estruturais – surgem continuamente em microvolumes individuais de água. Tudo isso leva à heterogeneidade na estrutura da água.

Whiting foi o primeiro a propor a ideia de que a água é heterogênea em estrutura em 1884. Sua autoria é citada na monografia “The Nature of Water. Água Pesada”, publicado em 1935. Depois disso, surgiram muitos trabalhos nos quais a água era considerada uma mistura de associados de diferentes composições (“hidróis”).

Quando a estrutura do gelo foi determinada na década de 1920, descobriu-se que as moléculas de água no estado cristalino formam uma rede tridimensional contínua na qual cada molécula tem quatro vizinhos mais próximos localizados nos vértices de um tetraedro regular. Em 1933, J. Bernal e P. Fowler sugeriram que existe uma rede semelhante na água líquida. Como a água é mais densa que o gelo, eles acreditavam que as moléculas nela contidas estavam dispostas de maneira diferente daquelas do gelo, ou seja, como os átomos de silício em um mineral. tridimita, mas assim como os átomos de silício em uma modificação mais densa da sílica - quartzo. O aumento da densidade da água quando aquecida de 0 a 4°C foi explicado pela presença do componente tridimita em baixas temperaturas. Assim, o modelo de Bernal-Fowler manteve o elemento de duas estruturas, mas sua principal conquista foi a ideia de uma rede tetraédrica contínua. Então apareceu o famoso aforismo de I. Langmuir: “O oceano é uma grande molécula”.

Somente em 1951 J. Pople criou modelo de malha contínua, que não era tão específico quanto o modelo Bernal-Fowler. Pople imaginou a água como uma rede tetraédrica aleatória, cujas ligações entre as moléculas são curvas e têm comprimentos diferentes. O modelo de Pople explica a compactação da água durante a fusão pela flexão das ligações. Quando as primeiras definições de estrutura apareceram nos anos 60-70 gelo II E IX, Ficou claro como a flexão das ligações pode levar à compactação da estrutura. O modelo de Pople não conseguiu explicar a dependência não monotônica das propriedades da água em relação à temperatura e pressão, bem como os modelos de dois estados. Portanto, a ideia de dois estados foi compartilhada por muitos cientistas durante muito tempo.

Arroz. Modelo de malha contínua

Na segunda metade do século XX, além de „ contínuo“modelos (modelo de Pople), surgiram dois grupos de modelos “mistos”: conjunto E clatrato e.No primeiro grupo, a água apareceu na forma de aglomerados de moléculas conectadas por ligações de hidrogênio, que flutuavam em um mar de moléculas que não participavam de tais ligações. Os modelos do segundo grupo consideravam a água como uma rede contínua de ligações de hidrogênio - uma estrutura que contém vazios; eles contêm moléculas que não formam ligações com as moléculas da estrutura.

Entre modelos de cluster O modelo mais marcante foi o modelo de G. Nemeti e H. Scheraghi; as imagens que eles propuseram, representando aglomerados de moléculas ligadas flutuando em um mar de moléculas não ligadas, foram incluídas em muitas monografias.

Outro modelo de água, proposto em 1957 por Freck e Wen, é o modelo de cluster cintilante. Este modelo está muito próximo das ideias modernas sobre a estrutura da água. Neste modelo, as ligações de hidrogénio na água são continuamente formadas e quebradas, e estes processos ocorrem cooperativamente dentro de grupos de moléculas de água de vida curta chamados “aglomerados de brilho”. Sua vida útil é estimada na faixa de 10-10 a 10-11 s. Esta ideia explica plausivelmente o elevado grau de mobilidade da água líquida e a sua baixa viscosidade. Acredita-se que devido a essas propriedades, a água serve como um dos solventes mais versáteis.

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Em 2002, o grupo do Dr. Head-Gordon, usando análise de difração de raios X usando a ultra-poderosa Fonte de Luz Avançada (ALS), foi capaz de mostrar que as moléculas de água são capazes de formar estruturas através de ligações de hidrogênio - os “verdadeiros blocos de construção” de água, que são cadeias topológicas e anéis de muitas moléculas de água. Interpretando os dados experimentais obtidos, os pesquisadores consideram-nos elementos estruturais bastante duradouros. Basicamente, a água é uma coleção de polímeros aleatórios e hipotéticos “cristais de água” (que supostamente existem na água derretida), onde o número de moléculas ligadas por pontes de hidrogênio pode atingir centenas e até milhares de unidades.

Os “cristais de água” podem ter uma variedade de formas, tanto espaciais quanto bidimensionais (na forma de estruturas em anel). No centro de tudo está o tetraedro. Esta é exatamente a forma de uma molécula de água. Quando agrupados, os tetraedros de moléculas de água formam uma variedade de estruturas espaciais e planares. E de toda a variedade de estruturas da natureza, a básica é a estrutura hexagonal (seis lados), quando seis moléculas de água (tetraedros) são combinadas em um anel. Este tipo de estrutura é típico de gelo, neve e água derretida.

Arroz. 1. Estrutura cristalina do gelo

Quando o gelo derrete, sua estrutura tetragonal é destruída e uma mistura de aglomerados é formada, consistindo de tri-, tetra-, penta- e hexâmeros de água e moléculas de água livres. Esquematicamente, esse processo pode ser imaginado da seguinte forma.

Arroz . Estrutura da água líquida. Na água, os aglomerados entram em colapso periodicamente e se formam novamente. O tempo de salto é de 10 a 12 segundos.

Acabou sendo bastante difícil estudar a estrutura desses associados resultantes, uma vez que a água é uma mistura de diferentes polímeros que estão em equilíbrio entre si. Colidindo entre si, os polímeros se transformam, se decompõem e se formam novamente.

Também é quase impossível separar esta mistura em componentes individuais. Somente em 1993, um grupo de pesquisadores da Universidade da Califórnia (Berkeley, EUA) sob a liderança do Dr. R. J. Saikalli decifrou a estrutura do aparador de água, em 1996 - o tetrâmero e o pentâmero, e depois o hexâmero da água. A essa altura, já havia sido estabelecido que a água líquida consiste em polímeros associados (clusters) contendo de três a seis moléculas de água.

A estrutura do hexâmero revelou-se mais complexa. A estrutura mais simples - seis moléculas de água nos vértices de um hexágono - não é tão forte quanto a estrutura de uma célula. Além disso, as estruturas de um prisma, de um livro aberto ou de um barco também se revelaram menos estáveis. Um hexágono só pode ter seis ligações de hidrogênio, mas dados experimentais sugerem que existem oito. Isso significa que quatro moléculas de água estão conectadas por ligações cruzadas de hidrogênio.

As estruturas dos clusters de água foram encontradas teoricamente; a tecnologia computacional atual permite que isso seja feito. Em 1999, Stanislav Zenin, juntamente com B. Polanuer (agora nos EUA), realizou um estudo sobre a água no Instituto Estadual de Pesquisa de Genética, que deu resultados interessantes. Usando métodos modernos de análise - refratometria, ressonância de prótons e cromatografia líquida, eles foram capazes de detectar associados de moléculas de água - aglomerados.

Ri Com. Possíveis aglomerados de água

Ao combinarem-se entre si, os clusters podem formar estruturas mais complexas:

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Arroz. Formação de um aglomerado de 20 moléculas de água.

Analisando os dados obtidos, ele propôs que a água é uma hierarquia de estruturas volumétricas regulares de “associados” (clatratos), que se baseiam em um “quântico de água” semelhante a um cristal, composto por 57 de suas moléculas que interagem entre si através do hidrogênio livre. títulos. Neste caso, 57 moléculas de água (quanta) formam uma estrutura semelhante a um tetraedro. O tetraedro, por sua vez, é composto por 4 dodecaedros (faces regulares de 12 lados). 16 quanta formam um elemento estrutural composto por 912 moléculas de água. A água consiste em 80% desses elementos, 15% de quanta tetraédricos e 3% de moléculas clássicas de H2O. Assim, a estrutura da água está associada aos chamados sólidos platônicos (tetraedro, dodecaedro), cuja forma está relacionada à proporção áurea. O núcleo de oxigênio também tem a forma de um sólido platônico (tetraedro).

A célula unitária da água é um tetraedro contendo quatro (tetraedro simples) ou cinco moléculas de H2O (tetraedro de corpo centrado) interligadas por ligações de hidrogênio.

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Arroz. Dodecaedro

Assim, surgem numerosos aglomerados na água, que carregam energia altíssima e informações de altíssima densidade. O número de ordem de tais estruturas de água é tão elevado quanto o número de ordem dos cristais (a estrutura de ordem mais elevada que conhecemos), razão pela qual também são chamados de “cristais líquidos” ou “água cristalina”. Os “quanta de água” podem interagir uns com os outros devido às ligações de hidrogênio livres que se projetam para fora dos topos do “quântico” com suas bordas. Neste caso, é possível a formação de dois tipos de estruturas de segunda ordem. A interação entre eles leva ao surgimento de estruturas de ordem superior. Estas últimas são compostas por 912 moléculas de água, que, segundo o modelo de Zenin, são praticamente incapazes de interagir devido à formação de ligações de hidrogênio. Isso explica, por exemplo, a alta fluidez de um líquido constituído por enormes polímeros. Assim, o meio aquoso é como um cristal líquido organizado hierarquicamente.

Arroz. Formação de um cluster de água separado (modelagem computacional)

Uma mudança na posição de um elemento estrutural neste cristal sob a influência de qualquer fator externo ou uma mudança na orientação dos elementos circundantes sob a influência de substâncias adicionadas proporciona, segundo a hipótese de Zenin, a alta sensibilidade do sistema de informação da água. Se o grau de perturbação dos elementos estruturais não for suficiente para reorganizar toda a estrutura da água em um determinado volume, então, após a remoção da perturbação, o sistema retorna ao seu estado original após 30-40 minutos. Se a recodificação, ou seja, uma transição para um arranjo relativo diferente dos elementos estruturais da água, for energeticamente favorável, então o novo estado reflete o efeito de codificação da substância que causou essa reestruturação [Zenin, 1994]. Este modelo permite a Zenin explicar a “memória da água” e suas propriedades de informação [Zenin, 1997].

Ph.D.

Referências:

. Avanços em Físico-Química, 2001

, . Prova experimental da presença de frações de água. G. Medicina homeopática e acupuntura. 1997.No.2.P.42-46.

, . Modelo hidrofóbico da estrutura de associados de moléculas de água. J. Física. Química.1994.T.68.No.4.P.636-641.

Estudo da estrutura da água pelo método de ressonância magnética de prótons. Dokl. RAS.1993.T.332.No.3.S.328-329.

, . A natureza da interação hidrofóbica. O surgimento de campos de orientação em soluções aquosas. J. Física. Química.1994.T.68.No.3.P.500-503.

, . Estudo de interações intramoleculares em nucleotídeos utilizando RMN. Materiais da 2ª Conferência All-Union. Por dinâmico Estereoquímica. Odessa.1975.p.53.

Na molécula de água, o personagem principal é o átomo de oxigênio.

Como os átomos de hidrogênio se repelem visivelmente, o ângulo entre as ligações químicas (linhas que conectam os núcleos dos átomos) hidrogênio - oxigênio não é reto (90°), mas um pouco maior - 104,5°.

As ligações químicas em uma molécula de água são polares, uma vez que o oxigênio atrai elétrons com carga negativa e o hidrogênio atrai elétrons com carga positiva. Como resultado, um excesso de carga negativa se acumula próximo ao átomo de oxigênio e uma carga positiva se acumula próximo aos átomos de hidrogênio.

Portanto, toda a molécula de água é um dipolo, ou seja, uma molécula com dois pólos opostos. A estrutura dipolo da molécula de água determina em grande parte suas propriedades incomuns.

Uma molécula de água é diamagnética.

Se você conectar os epicentros de cargas positivas e negativas com linhas retas, obterá uma figura geométrica tridimensional - um tetraedro. Esta é a estrutura da própria molécula de água.

Quando o estado da molécula de água muda, o comprimento dos lados e o ângulo entre eles mudam no tetraedro.

Por exemplo, se uma molécula de água está no estado de vapor, então o ângulo formado por seus lados é 104°27". No estado de água, o ângulo é 105°03". E em condições de gelo o ângulo é de 109,5°.

Geometria e dimensões da molécula de água para vários estados
a - para o estado de vapor
b - para o nível vibracional mais baixo
c - para um nível próximo à formação de um cristal de gelo, quando a geometria da molécula de água corresponde à geometria de dois triângulos egípcios com proporção de 3: 4: 5
g - para condições de gelo.

Se dividirmos esses ângulos pela metade, obteremos os ângulos:
104°27": 2 = 52°13",
105°03": 2 = 52°31",
106°16": 2 = 53°08",
109,5°: 2 = 54°32".

Isso significa que entre os padrões geométricos das moléculas de água e gelo está o famoso triângulo egípcio, cuja construção se baseia nas relações da proporção áurea - os comprimentos dos lados estão na proporção 3:4:5 com um ângulo de 53°08".

Uma molécula de água adquire a estrutura da proporção áurea ao longo do caminho, quando a água se transforma em gelo, e vice-versa, quando o gelo derrete. Obviamente, a água do degelo é valorizada por esta condição, quando sua estrutura na construção tem as proporções da seção áurea.

Agora fica claro que o famoso triângulo egípcio com proporção de 3:4:5 foi “tirado” de um dos estados da molécula de água. A própria geometria da molécula de água é formada por dois triângulos retângulos egípcios, tendo um cateto comum igual a 3.

A molécula de água, baseada na proporção áurea, é uma manifestação física da Natureza Divina, que participa da criação da vida. É por isso que a natureza terrena contém a harmonia inerente a todo o cosmos.

E por isso, os antigos egípcios divinizaram os números 3, 4, 5, e consideravam o próprio triângulo sagrado e procuravam incorporar suas propriedades, sua harmonia em qualquer estrutura, casas, pirâmides e até na marcação de campos. A propósito, as cabanas ucranianas também foram construídas usando a proporção áurea.

No espaço, uma molécula de água ocupa um determinado volume e é coberta por uma camada de elétrons em forma de véu. Se imaginarmos um modelo hipotético de uma molécula em um plano, ele se parece com as asas de uma borboleta, como um cromossomo em forma de X no qual está escrito o programa de vida de uma criatura viva. E este é um facto indicativo de que a própria água é um elemento essencial de todos os seres vivos.

Se imaginarmos a aparência de um modelo hipotético de uma molécula de água em volume, então ele transmite a forma de uma pirâmide triangular, que possui 4 faces, e cada face possui 3 arestas. Em geometria, uma pirâmide triangular é chamada de tetraedro. Esta estrutura é característica dos cristais.

Assim, a molécula de água forma uma forte estrutura angular, que retém mesmo quando está no estado de vapor, prestes a virar gelo, e quando se transforma em gelo.

Se o “esqueleto” de uma molécula de água é tão estável, então a sua “pirâmide” energética – o tetraedro – também permanece inabalável.

Tais propriedades estruturais da molécula de água sob várias condições são explicadas por fortes ligações entre dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio. Esta ligação é aproximadamente 25 vezes mais forte do que a ligação entre moléculas de água vizinhas. Portanto, é mais fácil separar uma molécula de água de outra, por exemplo, por aquecimento, do que destruir a própria molécula de água.

Devido às interações de dispersão orientacionais, indutivas (forças de van der Waals) e às ligações de hidrogênio entre os átomos de hidrogênio e oxigênio de moléculas vizinhas, as moléculas de água são capazes de se formar como associados aleatórios, ou seja, não possuem uma estrutura ordenada e os clusters são associados com uma determinada estrutura.

Segundo as estatísticas, na água comum existem associados aleatórios - 60% (água desestruturada) e clusters - 40% (água estruturada).

Como resultado de uma pesquisa conduzida pelo cientista russo S.V. Zenin, foram descobertos aglomerados de água estáveis ​​e de longa vida.

Zenin descobriu que as moléculas de água formam inicialmente um dodecaedro. Quatro dodecaedros se combinam para formar o principal elemento estrutural da água - um aglomerado composto por 57 moléculas de água.

Num aglomerado, os dodecaedros têm faces comuns e seus centros formam um tetraedro regular. Este é um composto volumétrico de moléculas de água, incluindo hexâmeros, que possui pólos positivos e negativos.

As pontes de hidrogênio permitem que as moléculas de água se unam de várias maneiras. Devido a isso, existe uma variedade infinita de aglomerados na água.

Os aglomerados podem interagir entre si devido a ligações de hidrogênio livres, o que leva ao aparecimento de estruturas de segunda ordem na forma de hexaedros. Eles consistem em 912 moléculas de água, praticamente incapazes de interagir. A vida útil de tal estrutura é muito longa.

Esta estrutura, semelhante a um pequeno cristal de gelo pontiagudo de 6 faces rômbicas, foi criada por S.V. Zenin chamou-o de “o principal elemento estrutural da água”. Numerosas experiências confirmaram que existem miríades desses cristais na água.

Esses cristais de gelo dificilmente interagem entre si, portanto não formam estruturas estáveis ​​mais complexas e deslizam facilmente suas faces umas em relação às outras, criando fluidez. Nesse sentido, a água se assemelha a uma solução super-resfriada que não consegue cristalizar.