Да бъде в агрегатно състояние, което има тенденция да има газообразна или течна форма при стайна температура. Свойствата на леда започват да се изучават преди стотици години. Преди около двеста години учените откриха, че водата не е просто съединение, а сложен химичен елемент, състоящ се от кислород и водород. След откритието формулата на водата започва да прилича на H 2 O.

Ледена структура

H 2 O се състои от два водородни атома и един кислороден атом. В неподвижно състояние водородът се намира в върховете на кислородния атом. Кислородните и водородните йони трябва да заемат върховете на равнобедрен триъгълник: кислородът е разположен на върха на прав ъгъл. Тази структура на водата се нарича дипол.

Ледът е 11,2% водород, а останалото е кислород. Свойствата на леда зависят от неговата химическа структура. Понякога съдържа газообразни или механични образувания - примеси.

Ледът се среща в природата под формата на няколко кристални вида, които стабилно запазват структурата си при температури от нула и по-ниски, но при нула и повече започва да се топи.

Кристална структура

Свойствата на леда, снега и парата са напълно различни и зависят от. В твърдо състояние H 2 O е заобиколен от четири молекули, разположени в ъглите на тетраедъра. Тъй като координационното число е ниско, ледът може да има ажурна структура. Това се отразява в свойствата на леда и неговата плътност.

Ледени форми

Ледът е едно от най-разпространените вещества в природата. На Земята има следните разновидности:

• река;
• езеро;
• морски;
• фирн;
• ледникови;
• земята.

Има лед, който се образува директно чрез сублимация, т.е. от парно състояние. Тази форма придобива скелетна форма (наричаме ги снежинки) и агрегати от дендритен и скелетен растеж (рим, иней).

Една от най-разпространените форми са сталактити, т.е. ледени висулки. Те растат по целия свят: на повърхността на Земята, в пещерите. Този вид лед се образува от капещи водни капчици при температурна разлика от около нула градуса през есенно-пролетния период.

Образуванията под формата на ледени ивици, които се появяват по краищата на водните обекти, на границата на водата и въздуха, както и на ръба на локви, се наричат ​​ледени банки.

Ледът може да се образува в порести почви под формата на влакнести жилки.

Свойства на лед

Веществото може да бъде в различни състояния. Въз основа на това възниква въпросът: какво свойство на леда се проявява в това или онова състояние?

Учените разграничават физичните и механичните свойства. Всеки от тях има свои собствени характеристики.

Физически свойства

Физическите свойства на леда включват:

1. Плътност. Във физиката нехомогенната среда се представя чрез границата на съотношението на масата на веществото на самата среда към обема, в който е затворена. Плътността на водата, както и тази на други вещества, е функция на температурата и налягането. Обикновено при изчисленията се използва постоянна плътност на водата, равна на 1000 kg / m 3. По-точен индикатор за плътност се взема предвид само когато е необходимо много точно да се извършат изчисления поради важността на резултата от разликата в плътността.
   При изчисляване на плътността на леда се взема предвид какъв вид вода се е превърнала в лед: както знаете, плътността на солената вода е по-висока от тази на дестилираната вода.
2. Температура на водата. Обикновено се случва при температура от нула градуса. Процесите на замръзване протичат в скокове с отделяне на топлина. Обратният процес (топене) се получава, когато се абсорбира същото количество топлина, която е била отделена, но без скокове, но постепенно.
   В природата има условия, при които настъпва преохлаждане на водата, но тя не замръзва. Някои реки поддържат водата си течна дори при температура от -2 градуса.
3. количеството топлина, което се абсорбира при нагряване на тялото за всеки градус. Има специфичен топлинен капацитет, който се характеризира с количеството топлина, необходимо за загряване на килограм дестилирана вода с един градус.
4. Свиваемост. Друго физическо свойство на снега и леда е свиваемостта, която влияе върху намаляването на обема под въздействието на повишено външно налягане. Реципрочната стойност се нарича еластичност.
5. Сила на леда.
6. Цвят на лед. Това свойство зависи от поглъщането на светлината и разсейването на лъчите, както и от количеството примеси в замръзналата вода. Речен и езерен лед без чужди примеси се вижда в бледосиня светлина. Морският лед може да бъде напълно различен: син, зелен, син, бял, кафяв и има стоманен оттенък. Понякога може да се види черен лед. Този цвят придобива поради голямото количество минерали и различни органични примеси.

Механични свойства на леда

Механичните свойства на леда и водата се определят от устойчивостта на външната среда по отношение на единица площ. Механичните свойства зависят от структурата, солеността, температурата и порьозността.

Ледът е еластично, вискозно, пластично образувание, но има условия, при които става твърд и много крехък.

Морският лед и сладководен лед са различни: първият е много по-пластичен и по-малко издръжлив.

При преминаване на кораби трябва да се вземат предвид механичните свойства на леда. Също така е важно при използване на заледени пътища, фериботи и др.

Водата, снегът и ледът имат сходни свойства, които определят характеристиките на дадено вещество. Но в същото време много други фактори влияят на тези показания: температура на околната среда, примеси в твърдото вещество, както и първоначалният състав на течността. Ледът е едно от най-интересните вещества на Земята.

Снежинките са едно от най-красивите, сложни и абсолютно уникални творения на природата. Как се образуват, от какво са направени?

Снегът е твърди валежи под формата на кристали (снежинки). Има изключително голямо разнообразие от форми на снежинки. Най-простите от тях са: игли, стълбове и плочи. Освен това има много сложни форми на снежинки: иглени звезди; плочи звезди; таралежи, състоящи се от няколко колони; стълбове с плочи и звезди в краищата. Някои форми на колони имат вътрешни кухини или чашовидни форми; Срещат се и 12-лъчеви звезди. Размерите на отделните снежинки могат да бъдат много различни. Иглените звезди обикновено имат най-големи линейни размери (радиусът им достига 4-5 mm). Снежинките често се съединяват и падат под формата на люспи. Размерът на люспите може да бъде много голям, наблюдавани са люспи с радиус до 15-20 см. Формата на снежинките отразява вътрешното подреждане на водните молекули, когато са в твърдо състояние - под формата на лед. или сняг. Снежинките растат по същия начин, както растат кристалите на всяко вещество, което преминава от течно в твърдо състояние: свързвайки се помежду си, водните молекули са склонни да увеличат максимално силите на взаимното привличане и да минимизират силите на отблъскване, тъй като енергията на системата намалява по време на кристализация. Само за няколко минути, падайки върху топла повърхност, снежинка ще загуби своята декоративна структура, уникалния си образ, който никога няма да се повтори.

От какво е направен снегът? И снежинките, и снежните кристали се образуват от лед. Снежен кристал, както подсказва името му, е единичен леден кристал. Снежинка е по-общ термин; това може да означава както отделен снежен кристал, множество снежни кристали, които се слепват заедно, или големи групи снежни кристали, които образуват сняг, който пада от облаци. Кристална структура на лед. Водните молекули в ледения кристал образуват шестоъгълна решетка (виж фигурата). Червените топки са кислородни атоми. Сивите пръчки са водородни атоми. Два водорода за един кислород - H2O. Шесткратната симетрия на снежинките произлиза от кристалната решетка на леда. Снежинките растат от водна пара. Снежинките не са замръзнали дъждовни капки. Понякога дъждовните капки замръзват, докато падат, но това се нарича градушка. Градушките нямат нито един от сложните и симетрични шарки, открити в снежните кристали. Снежните кристали се образуват, когато водната пара кондензира директно в лед, което се случва в облаците. Снежинките се причиняват от растежа на кристали. Най-основната форма на кристален сняг е шестоъгълната призма, показана по-горе. Тази структура възниква, защото някои кристални повърхности, фасетни повърхности, натрупват материал много бавно. Това се дължи на факта, че повърхността, където се образуват ъглите, е по-енергийно неравновесна от тази, която образува равнината, тъй като е по-вероятно ъглите да образуват връзка от молекули един с друг. Това може лесно да се демонстрира с четириъгълен кристал, най-простата форма. Същата история е и с шестоъгълните призми. Снимката показва шестоъгълните снежинки, събрани на Южния полюс от Уолтър Тейп. Тези снежинки са станали доста големи, тъй като са замръзвали от много дълго време, което позволи на правилото за образуване на ледени кристали да се прояви напълно. Шестоъгълната призма включва две шестоъгълни повърхности на "datum" и шест правоъгълни "призматични" повърхности, както е показано. Имайте предвид, че шестоъгълната призма може да бъде плоча или колонна, в зависимост от скоростта на растеж на повърхностите. Когато снежните кристали са много малки, те съществуват в по-голямата си част под формата на прости шестоъгълни призми. Но докато растат, от ъглите на призмите поникват "клони", създавайки по-сложни форми.

Произходът на сложни форми на снежинки. Отговорът на този въпрос се крие в това как водните молекули се движат във въздуха, за да кондензират върху нарастващ снежен кристал. Молекулите пътуват във въздуха, за да достигнат до кристала и тази дифузия забавя растежа им. По-далечните водни молекули трябва да пътуват във въздуха по-дълго, за да достигнат до растящия кристал. Така че, помислете за плоска ледена повърхност, която расте във въздуха. Ако се получи малък сблъсък и остане на повърхността, тогава следата от него стърчи малко по-далеч от останалата част от кристала. Това означава, че други водни молекули могат да достигнат това място по-бързо от останалата част от кристала, тъй като трябва да се придвижат по-далеч към него.

С увеличаването на броя на водните молекули, достигащи мястото на сблъсък, мястото на сблъсък расте по-бързо. След кратко време сблъсъците се случват по-често, а растежът става още по-бърз. Тогава настъпва това, което се нарича нестабилност на разклонението - генерират се нови малки сблъсъци върху големите клони и стават мястото на образуване на странични клони. Така се ражда сложността. Тази нестабилност е основната причина за сложните форми на снежните кристали.

Когато нестабилността на разклоняването се прилага върху снежен кристал отново и отново, резултатът е това, което се нарича леден дендрит. Думата "дендрит" означава "дървесен" и звездовидни дървовидни снежни кристали са често срещани. Скоростта на дифузия на водните молекули може да се промени в лабораторията. Ако снежните кристали се отглеждат във въздух под атмосферно налягане, те са по-малко разклонени. Това е така, защото дифузията не ограничава растежа при ниски налягания, следователно нестабилността на разклоняването не е толкова интензивна. При по-високо налягане се образуват по-разклонени снежни кристали. Растежът на снежните кристали зависи от баланса между фасетите и разклоненията. Лицата са склонни да създават прости плоски повърхности, а клоните са склонни да създават по-сложни структури. Взаимодействието между ръбовете и разклоненията е фино и силно зависи от параметри като температура и влажност. Това означава, че снежните кристали могат да растат по много различни начини, което води до голямо разнообразие, което се вижда във формите на снежинки.

Известният астроном Йоханес Кеплер е първият, който изучава снежинките. През 1611 г. той публикува трактат „За шестоъгълните снежинки“, в който анализира основно геометричните аспекти на тяхната структура. Следващият пробив трябваше да чака повече от два века. На 15-ия си рожден ден майка ми подари на сина си, млад фермер от Върмонт, Уилсън Алвин Бентли, микроскоп. И той реши да погледне снежинките в него. На 15 януари 1885 г. той прави първата снимка на снежинка, като прикрепя камера към микроскоп и я снима на фон от черна хартия. До края на живота си той получава изображения на 5381 снежинки. През 1920 г. той ще получи позиция в Националната метеорологична служба и стипендия от 25 долара за изследванията си, а сняг ще започне да вали не само във фермите, но и в лабораториите на кинетика и кристалографи. Но Бентли беше този, който първи каза, че никога не е виждал две еднакви снежинки Има широко разпространено схващане, че в природата няма две еднакви снежинки. Изглежда как така. Милиони се изливат от небето. Но, от друга страна, ако грубо изчислим, тогава в снежинка има около 1020 водни молекули и човешкото око е в състояние да определи около 100 визуални параметъра на снежинка. Така че такава мозайка може да се образува по краен, но безумно огромен брой начини. И ако си спомняте, че атомите на кислорода и водорода имат различни изотопи, но във водата все още има примеси ... като цяло си струва да приемем, че в природата няма две еднакви снежинки. Но кристалите имат симетрична форма. Макроскопичните фактори (температура, налягане, концентрации на различни вещества) в такова малко пространство като текущото положение на кристалното ядро ​​в даден момент не се различават много, а растежът във всички посоки е еднакъв. Докато не се появи проблем или, обратно, залепване.

Чистата вода е безцветна прозрачна течност. Плътността на водата при преминаването й от твърдо състояние в течно не намалява, както при почти всички други вещества, а се увеличава. Когато водата се нагрява от 0 до 4 ° C, нейната плътност също се увеличава. При 4 ° C водата има максимална плътност и само при по-нататъшно нагряване нейната плътност намалява.

Ако с понижаване на температурата и с преход от течно състояние към твърдо, плътността на водата се промени по същия начин, както се случва за по-голямата част от веществата, тогава с наближаването на зимата повърхностните слоеве на естествените охладени води. ще падне до 0°C и ще потъне на дъното, оставяйки място за по-топли слоеве, и това ще продължи, докато цялата маса на резервоара придобие температура от 0°C. Освен това водата ще започне да замръзва, получените ледени плочи ще потънат на дъното и резервоарът ще замръзне до цялата си дълбочина. Въпреки това, много форми на живот във водата биха били невъзможни. Но тъй като водата достига най-високата си плътност при 4 ° C, движението на нейните слоеве, причинено от охлаждане, приключва, когато се достигне тази температура. При по-нататъшно понижаване на температурата охладеният слой, който има по-ниска плътност, остава на повърхността, замръзва и по този начин предпазва подлежащите слоеве от по-нататъшно охлаждане и замръзване.

От голямо значение в живота на природата е фактът, че водата. има необичайно висок топлинен капацитет, следователно през нощта, както и при прехода от лято към зима, водата се охлажда бавно, а през деня или при прехода от зима към лято също се загрява бавно, като по този начин е регулатор на температурата на земното кълбо.

Поради факта, че когато ледът се топи, обемът, зает от водата, намалява, налягането понижава точката на топене на леда. Това следва от принципа на Льо Шателие. Наистина, нека бъде. ледът и течната вода са в равновесие при 0°C. С увеличаване на налягането равновесието, съгласно принципа на Льо Шателие, се измества към образуването на фазата, която заема по-малък обем при същата температура. Тази фаза в този случай е течна. По този начин повишаването на налягането при О ° С води до превръщането на леда в течност, което означава, че температурата на топене на леда намалява.

Водната молекула има ъглова структура; ядрата, включени в състава му, образуват равнобедрен триъгълник, в основата на който има два протона, а на върха има ядрото на кислороден атом. Междуядрените разстояния на OH са близки до 0,1 nm, разстоянието между ядрата на водородните атоми е около 0,15 nm. От осемте електрона, които изграждат външния електронен слой на кислородния атом във водната молекула, две електронни двойки образуват ковалентни O-H връзки, а останалите четири електрона са две самотни електронни двойки.

Кислородният атом във водната молекула е в състояние -aea?Eaecaoee. Следователно ъгълът на свързване НОН (104,3 °) е близък до тетраедричния (109,5 °). Електроните, образуващи O-H връзките, се изместват към по-електроотрицателния кислороден атом. В резултат на това водородните атоми придобиват ефективни положителни заряди, така че върху тези атоми се създават два положителни полюса. Центровете на отрицателните заряди на самотните електронни двойки на кислородния атом, разположени в хибридни орбитали, се изместват спрямо атомното ядро ​​и създават два отрицателни полюса.

Молекулното тегло на парата вода е 18 и съответства на най-простата й формула. Молекулното тегло на течната вода обаче, определено чрез изследване на нейните разтвори в други разтворители, се оказва по-високо. Това показва, че в течната вода има асоциация на молекули, тоест тяхното свързване в по-сложни агрегати. Това заключение се потвърждава и от необичайно високите стойности на точките на топене и кипене на водата. Свързването на водните молекули се причинява от образуването на водородни връзки между тях.

В твърда вода (лед) кислородният атом на всяка молекула участва в образуването на две водородни връзки със съседни водни молекули съгласно схемата, в която водородните връзки са показани с пунктирана линия. Диаграмата на обемната структура на леда е показана на фигурата. Образуването на водородни връзки води до такова подреждане на водните молекули, при което те се допират една до друга с противоположните си полюси. Молекулите образуват слоеве, всеки от които е свързан с три молекули, принадлежащи към същия слой и една от съседен слой. Структурата на леда принадлежи към най-малко плътните структури, в него има кухини, размерите на най-малко плътните структури, в него има кухини, чиито размери са малко по-големи от размера на молекулата.

Когато ледът се стопи, структурата му се разрушава. Но дори и в течна вода, водородните връзки между молекулите се запазват: образуват се асоциати – като фрагменти от структурата на леда – състоящи се от по-голям или по-малък брой водни молекули. Въпреки това, за разлика от леда, всеки сътрудник съществува за много кратко време: постоянно се случва разрушаване на някои агрегати и образуване на други агрегати. Единични водни молекули могат да бъдат разположени в кухините на такива "ледени" агрегати; в този случай опаковката на водните молекули става по-плътна. Ето защо, когато ледът се стопи, обемът, зает от водата, намалява, а плътността му се увеличава.

Тъй като водата се нагрява, отломките от ледената структура в нея стават все по-малко, което води до допълнително увеличаване на плътността на водата. В температурния диапазон от 0 до 4 ° C този ефект преобладава над термичното разширение, така че плътността на водата продължава да се увеличава. Въпреки това, когато се нагрява над 4 ° C, ефектът от повишено топлинно движение на молекулите преобладава и плътността на водата намалява. Следователно при 4 ° C водата има максимална плътност.

Когато водата се нагрява, част от топлината се изразходва за разрушаване на водородни връзки (енергията на разкъсване на водородна връзка във вода е около 25 kJ / mol). Това обяснява високия топлинен капацитет на водата.

Водата в живота ни е най-разпространеното и най-разпространеното вещество. Човешкото тяло е 70% вода, а естествената среда около нас също съдържа 70% вода.

От училищните учебници знаем, че водната молекула се състои от кислороден атом и два водородни атома, т.е. една от най-малките и леки молекули. При цялата обикновеност и очевидност за нас на онези свойства на водата, които постоянно използваме, има парадокси на течната вода, които определят дори формите на живот на Земята.

Течната вода има плътност по-голяма от тази на леда. Следователно при замръзване обемът на леда се увеличава, ледът плува на повърхността на водата.

Плътността на водата е максимална при 4 ° C, а не при точката на топене; тя намалява както вдясно, така и вляво от тази температура.

Вискозитетът на водата намалява с увеличаване на налягането.

Точката на кипене на водата не зависи от общата зависимост на точката на кипене от молекулното тегло на веществата (Фигура 1.1). В противен случай тя трябва да бъде не по-висока от 60 o C.

Топлинният капацитет на водата е поне два пъти по-голям от тази на всяка друга течност.

Топлината на изпаряване (~ 2250 kJ / kg) е поне три пъти по-висока от тази на всяка друга течност, 8 пъти по-висока от тази на етанола.

Помислете за това последно свойство на водата. Топлината на изпаряване е енергията, необходима за разрушаване на връзките между молекулите по време на прехода им от кондензирана фаза към газообразна фаза. Това означава, че причината за всички парадоксални свойства е в природата на междумолекулните връзки на водата, а това от своя страна се определя от структурата на водната молекула.

Фигура 1.1. Диапазонът на съотношенията на молекулното тегло на различни съединения и техните точки на кипене.

1. Какво е това - водна молекула?

През 1780г. Лавоазие експериментално установява, че водата се състои от кислород и водород, че два обема водород взаимодействат с един обем кислород и че масовото съотношение на водорода и кислорода във водата е 2:16. До 1840 г. става ясно, че молекулната формула на водата H 2 O.

Три ядра в една молекула образуват равнобедрен триъгълник с два протона в основата (фигура 1.2). Електронната формула на водната молекула е [(1S 2)] [(1S 2) (2S 2) (2P 4)].

Фигура 1.2.Формиране на система от обвързване м.о. на 2p-орбиталите на кислородния атом и 1с-орбитали на кислородния атом и 1с-орбитали на водородни атоми.

Поради участието на два електрона на водорода 1s във връзка с два електрона 2p на кислорода, настъпва сфибридизация и се образуват хибридни sp 3 орбитали с характерен ъгъл между тях от 104,5 °, както и два полюса с противоположни заряди. Дължината на връзката O - H е 0,95 Å (0,095 nm), разстоянието между протоните е 1,54 Å (0,154 nm). Фигура 1.3 показва електронен модел на водна молекула.

Фигура 1.3. Електронен модел на молекулата H 2 О.

Осем електрона се въртят по двойки в четири орбитали, разположени в три равнини (ъгли 90 О ), които се вписват в куба. 1, 2 - самотни двойки електрони.

Най-важното следствие от това съображение: асиметрията на разпределението на заряда превръща молекулата H2O в дипол: протоните са разположени в два положителни края, а самотните двойки кислородни p-електрони са разположени в два отрицателни края.

По този начин една водна молекула може да се разглежда като триъгълна пирамида - тетраедър, в ъглите на който има четири заряда - два положителни и два отрицателни.

Тези заряди образуват най-близката им среда, разгръщайки съседните водни молекули по строго определен начин – така че между два кислородни атома винаги има само един водороден атом. Най-лесният начин да си представите и изучите такава междумолекулна структура е върху вода в твърдо състояние. Фигура 1.4 показва структурата на леда.

Ориз. 1.4. Шестоъгълна структура на лед

Структурата се държи заедно чрез връзки O-H...O. Такава комбинация от два кислородни атома на съседни водни молекули чрез посредничеството на един водороден атом се нарича водородна връзка.

Водородната връзка възниква поради следните причини:

1 - протонът има само един електрон, така че електронното отблъскване на два атома е минимално. Протонът просто се потапя в електронната обвивка на съседен атом, намалявайки разстоянието между атомите с 20-30% (до 1 Å);

2 - съседният атом трябва да има голяма стойност на електроотрицателност. В общоприети условия (според Полинг) електроотрицателност F - 4,0; O - 3,5; N - 3,0; Cl - 3,0; C - 2,5; S - 2,5.

Една водна молекула може да има четири водородни връзки, в две тя действа като донор на електрони, в две - като акцептор на електрони. И тези връзки могат да възникнат както със съседни водни молекули, така и с други вещества.

И така, диполният момент, ъгълът H-O-H и водородната връзка O-H ... O определят уникалните свойства на водата и играят основна роля във формирането на света около нас.

K. Chem.

МОДЕРЕН ВОДЕН МОДЕЛ

Ако направим кратка екскурзия в училищния курс по химия, ще припомним, че две електронни двойки образуват полярни ковалентни връзки между водородни и кислородни атоми, а останалите две електронни двойки остават свободни и се наричат несподелено... Водната молекула има ъглова структура, ъгълът H – O – H е 104,5 градуса.

Ориз. Водна молекула

Тъй като кислородният атом има повече електрони (химиците казват, че кислородният атом е по-електроотрицателен) от водородния атом, електроните на двата водородни атома се изместват към по-електроотрицателния кислороден атом, причинявайки двата положителни заряда на водородните атоми да бъдат компенсиран от еднакъв размер на два атома водородът е отрицателният заряд на кислородния атом. Следователно електронният облак има неравномерна плътност. В близост до ядрата на водорода има липса на електронна плътност, а от противоположната страна на молекулата, близо до кислородното ядро, се наблюдава излишък от електронна плътност. Това води до факта, че водната молекула е малък дипол, съдържащ положителни и отрицателни заряди на полюсите. Именно тази структура определя полярността на водната молекула. Ако свържем епицентрите на положителни и отрицателни заряди с прави линии, получаваме триизмерна геометрична фигура - правилен тетраедър. Но такъв тетраедър е само първото основно ниво на структурата на водата.

Ориз. Структурата на водната молекула: а) ъглова; б) топка; в) тетраедър

Второто ниво на химичната организация на водата се определя от способността на водните тетраедри да образуват специални връзки, наречени водородни връзки, които свързват отделните молекули една с друга в асоциати.

Водородната връзка е от глобално значение в химията на междумолекулните взаимодействия и се дължи главно на слаби електростатични сили и влияния. Това се случва, когато изчерпаният от електрони водороден атом на една водна молекула взаимодейства с самотната електронна двойка на кислороден атом на съседна водна молекула.

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

Ориз. Всяка водна молекула е способна да образува водородни връзки с четири съседни молекули

В кристалната структура на леда всяка молекула участва в 4 водородни връзки, насочени към върховете на тетраедъра. В центъра на този тетраедър има кислороден атом, в два върха - водороден атом, чиито електрони участват в образуването на ковалентна връзка с кислорода. Двата оставащи върха са заети от двойки кислородни валентни електрони, които не участват в образуването на вътрешномолекулни връзки.

Ориз ... Водородни връзки в кристалната решетка на леда

За разлика от леда, в течната вода водородните връзки се разрушават лесно и бързо се възстановяват, което прави структурата на водата изключително променлива. Именно благодарение на тези връзки в отделни микрообеми вода непрекъснато възникват особени спътници на водата - нейните структурни елементи. Всичко това води до хетерогенност в структурата на водата.

Първата идея, че водата е хетерогенна по своята структура, е изразена от Уайтинг през 1884 г. Неговото авторство е цитирано в монографията „Природата на водата. Тежка вода”, публикувана през 1935 г. След нея се появяват много произведения, в които водата се разглежда като смес от спътници с различен състав („хидроли“).

Когато структурата на леда беше определена през 20-те години на миналия век, се оказа, че водните молекули в кристално състояние образуват триизмерна непрекъсната мрежа, в която всяка молекула има четири най-близки съседи, разположени във върховете на правилен тетраедър. През 1933 г. Дж. Бернал и П. Фаулър предполагат, че подобна решетка съществува в течна вода. Тъй като водата е по-плътна от леда, те вярвали, че молекулите в нея не са разположени по същия начин като в леда, тоест като силициевите атоми в минерал тридимит, както и силициеви атоми в по-плътна силициева модификация – кварц. Увеличаването на плътността на водата при нагряване от 0 до 4 ° C се обяснява с наличието на тридимитния компонент при ниски температури. По този начин моделът Bernal - Fowler запази елемента на две структури, но основното им постижение е идеята за непрекъсната тетраедрична мрежа. Тогава се появява известният афоризъм на И. Лангмюър: „Океанът е една голяма молекула“.

Едва през 1951 г. създава Дж. Попъл модел с непрекъсната мрежа, който не беше толкова специфичен като модела на Bernal-Fowler. Попъл си представи водата като произволна тетраедрична мрежа, връзките между молекулите в която са извити и имат различни дължини. Моделът на Попл обяснява уплътняването на водата по време на топенето чрез огъване на връзките. Когато първите определения на структурата се появяват през 60-те и 70-те години лед IIи IX,стана ясно как кривината на връзките може да доведе до удебеляване на структурата. Моделът на Popl не може да обясни немонотонността на зависимостта на свойствата на водата от температурата и налягането, както и модела с две състояния. Следователно идеята за две държави се споделя от много учени от дълго време.

Ориз.Модел с непрекъсната мрежа

През втората половина на 20 век, освен „ непрекъснато„Модели (моделът на Popl), възникнаха две групи „смесени“ модели: клъстери клатратид. В първата група водата се появи под формата на клъстери от молекули, свързани с водородни връзки, които плуваха в море от молекули, които не участваха в такива връзки. Моделите от втората група разглеждат водата като непрекъсната мрежа от водородни връзки – рамка, която съдържа кухини; те съдържат молекули, които не образуват връзки с молекулите на рамката.

Между клъстерни моделинай-впечатляващият беше моделът на G. Nemethy и H. Sheraghi, предложените от тях снимки, изобразяващи клъстери от свързани молекули, които плуват в море от несвързани молекули, бяха включени в много монографии.

Друг воден модел, предложен през 1957 г. от Франк и Уен, е блестящият модел на клъстер. Този модел е много близък до съвременните представи за структурата на водата. В този модел водородните връзки във водата непрекъснато се образуват и прекъсват и тези процеси протичат съвместно в рамките на краткотрайни групи от водни молекули, наречени „трептящи клъстери“. Техният живот се оценява в диапазона от 10-10 до 10-11 s. Това представяне правдоподобно обяснява високата степен на подвижност на течната вода и нейния нисък вискозитет. Смята се, че тези свойства правят водата един от най-универсалните разтворители.

DIV_ADBLOCK567 ">

През 2002 г. групата на д-р Хед-Гордън чрез рентгенов дифракционен анализ, използвайки свръхмощен източник на рентгенови лъчи Advanced Light Source (ALS) успя да покаже, че водните молекули са способни да образуват структури благодарение на водородните връзки - "истински тухли " на вода, които са топологични вериги и пръстени от много водни молекули. При интерпретацията на получените експериментални данни изследователите ги смятат за доста дълготрайни структурни елементи. По принцип водата е съвкупност от неуредени полимери и хипотетични „водни кристали“ (за които се предполага, че съществуват в стопената вода), където броят на молекулите, свързани с водородни връзки, може да достигне стотици и дори хиляди.

„Водните кристали“ могат да имат различни форми, както пространствени, така и двуизмерни (под формата на пръстеновидни структури). В основата на всичко е тетраедърът. Това е формата на водната молекула. Групиране, тетраедрите на водните молекули образуват разнообразие от пространствени и равнинни структури. И от цялото разнообразие от структури в природата, основата е хексагоналната (шестоъгълна) структура, когато шест водни молекули (тетраедри) се комбинират в пръстен. Този тип структура е характерна за лед, сняг и стопена вода.

Ориз. 1. Кристална структура на леда

Когато ледът се стопи, неговата тетрагонална структура се разрушава и се образува смес от клъстери, състояща се от три-, тетра-, пента- и хексамери от вода и свободни водни молекули. Схематично този процес може да бъде представен по следния начин.

Ориз ... Структура на течната вода. Във вода клъстерите периодично се разпадат и се образуват отново. Времето за скок е 10-12 секунди.

Оказа се доста трудно да се изследва структурата на тези образуващи асоциати, тъй като водата е смес от различни полимери, които са в равновесие един с друг. Сблъсквайки се един с друг, полимерите се трансформират един в друг, разлагат се и се образуват отново.

Също така е почти невъзможно да се раздели тази смес на отделни компоненти. Едва през 1993 г. група изследователи от Калифорнийския университет (Бъркли, САЩ) под ръководството на д-р Р. Дж. Сайкали дешифрира структурата на водния тример, през 1996 г. - тетрамера и пентамера, а след това и водния хексамер. По това време вече беше установено, че течната вода се състои от полимерни асоциати (клъстери), съдържащи от три до шест водни молекули.

Структурата на хексамера се оказа по-сложна. Установено е, че най-простата структура - шест водни молекули във върховете на шестоъгълник - не е толкова силна, колкото структурата на клетката. Освен това конструкциите на призма, отворена книга или лодка също се оказаха по-малко стабилни. В един шестоъгълник може да има само шест водородни връзки, а експерименталните данни показват наличието на осем. Това означава, че четири водни молекули са омрежени чрез водородни връзки.

Структурите на водните клъстери са открити и теоретично днешната изчислителна технология ви позволява да направите това. През 1999 г. Станислав Зенин, заедно с Б. Полануер (сега в САЩ), провеждат изследване на водата в Държавния изследователски институт по генетика, което дава много интересни резултати. Използвайки съвременни методи за анализ - рефрактометрия, протонен резонанс и течна хроматография, те успяха да открият спътниците на водните молекули - клъстерите.

Ри с. Възможни водни клъстери

Комбинирайки се един с друг, клъстерите могат да образуват по-сложни структури:

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

Ориз. Образуване на клъстер от 20 водни молекули.

Анализирайки получените данни, той предположи, че водата е йерархия от правилни обемни структури от "съдружници" (клатрати), които се основават на кристалоподобен "квант на водата", състоящ се от 57 нейни молекули, които взаимодействат помежду си. поради свободни водородни връзки. В този случай 57 водни молекули (кванти) образуват структура, наподобяваща тетраедър. Тетраедърът от своя страна се състои от 4 додекаедъра (правилни 12-едъра). 16 кванта образуват структурна единица, състояща се от 912 водни молекули. Водата е 80% съставена от такива елементи, 15% са кванта-тетраедри и 3% са класически молекули H2O. По този начин структурата на водата е свързана с така наречените платонови тела (тетраедър, додекаедър), чиято форма е свързана със златното сечение. Кислородното ядро ​​също има формата на платоново твърдо вещество (тетраедър).

Единичната клетка на водата е тетраедър, съдържащ четири (обикновен тетраедър) или пет молекули H2O (тетраедър, центриран в тялото), свързани с водородни връзки.

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

Ориз. Додекаедър

Така във водата възникват множество клъстери, които носят много голяма енергия и информация с изключително висока плътност. Редовният номер на такива структури на водата е толкова висок, колкото и порядковият номер на кристалите (структурата с най-висок порядък, която само познаваме), поради което те се наричат ​​още "течни кристали" или "кристална вода". „Водните кванти“ могат да взаимодействат помежду си поради свободните водородни връзки, стърчащи от върховете на „квантите“ с техните лица. В този случай е възможно образуването на два вида структури от втори ред. Взаимодействието им помежду си води до появата на структури от по-висок ред. Последните се състоят от 912 водни молекули, които според модела на Зенин са практически неспособни да си взаимодействат поради образуването на водородни връзки. Това обяснява например високата течливост на течност, състояща се от огромни полимери. По този начин, водната среда е като че ли йерархично организиран течен кристал.

Ориз. Формиране на отделен воден клъстер (компютърна симулация)

Промяна в позицията на един структурен елемент в този кристал под въздействието на външен фактор или промяна в ориентацията на околните елементи под въздействието на добавени вещества осигурява, според хипотезата на Зенин, висока чувствителност на информационната система за вода . Ако степента на нарушаване на структурните елементи е недостатъчна за преструктурирането на цялата структура на водата в даден обем, тогава след отстраняване на смущението системата се връща в първоначалното си състояние за 30-40 минути. Ако прекодирането, тоест преходът към различно взаимно подреждане на структурните елементи на водата се окаже енергийно благоприятно, тогава кодиращото действие на веществото, което е причинило това пренареждане, се отразява в новото състояние [Зенин, 1994]. Този модел позволява на Зенин да обясни "паметта на водата" и нейните информационни свойства [Зенин, 1997].

K. Chem.

Препратки:

... Напредък във физическата химия, 2001 г

,. Експериментално доказателство за наличието на водни фракции. J. Хомеопатично лекарство и акупунктура. 1997. № 2, с. 42-46.

,. Хидрофобен модел на структурата на асоциати на водни молекули. J. Phys. Химия. 1994. Т. 68. № 4. С. 636-641.

Изследване на структурата на водата по метода на протонния магнитен резонанс. Докл. RAS 1993.T.332.No 3.P.328-329.

,. Естеството на хидрофобното взаимодействие. Появата на ориентационни полета във водни разтвори. J. Phys. Химия. 1994. Т. 68. № 3. С. 500-503.

,. Изследване на вътрешномолекулни взаимодействия в нуклеотидни амиди чрез ЯМР. Материали от 2-ра Всесъюзна конф. По динамика. Стереохимия. Одеса, 1975, с. 53.