एकत्रीकरण की स्थिति, जो कमरे के तापमान पर गैसीय या तरल रूप में होती है। बर्फ के गुणों का अध्ययन सैकड़ों साल पहले शुरू हुआ था। लगभग दो सौ साल पहले, वैज्ञानिकों ने पाया कि पानी एक साधारण यौगिक नहीं है, बल्कि ऑक्सीजन और हाइड्रोजन से मिलकर एक जटिल रासायनिक तत्व है। खोज के बाद, पानी का सूत्र H 2 O जैसा दिखने लगा।

बर्फ की संरचना

एच 2 ओ में दो हाइड्रोजन परमाणु और एक ऑक्सीजन परमाणु होते हैं। बाकी पर, हाइड्रोजन ऑक्सीजन परमाणु के शीर्ष पर स्थित है। ऑक्सीजन और हाइड्रोजन आयनों को एक समद्विबाहु त्रिभुज के कोने पर कब्जा करना चाहिए: ऑक्सीजन एक समकोण के शीर्ष पर स्थित है। पानी की इस संरचना को द्विध्रुवीय कहा जाता है।

बर्फ 11.2% हाइड्रोजन है और बाकी ऑक्सीजन है। बर्फ के गुण इसकी रासायनिक संरचना पर निर्भर करते हैं। कभी-कभी इसमें गैसीय या यांत्रिक संरचनाएँ होती हैं - अशुद्धियाँ।

बर्फ प्रकृति में कुछ क्रिस्टलीय प्रजातियों के रूप में होती है जो तापमान को शून्य और उससे नीचे के तापमान पर अपनी संरचना को बनाए रखती हैं, लेकिन शून्य और ऊपर यह पिघलना शुरू हो जाती हैं।

क्रिस्टल की संरचना

बर्फ, बर्फ और भाप के गुण पूरी तरह से अलग हैं और निर्भर करते हैं। ठोस अवस्था में, एच 2 ओ टेट्राहेड्रोन के कोनों पर स्थित चार अणुओं से घिरा हुआ है। चूंकि समन्वय संख्या कम है, बर्फ में एक ओपनवर्क संरचना हो सकती है। यह बर्फ के गुणों और इसके घनत्व में परिलक्षित होता है।

बर्फ की आकृतियाँ

बर्फ प्रकृति में सबसे आम पदार्थों में से एक है। पृथ्वी पर निम्नलिखित किस्में हैं:

• नदी;
• झील;
• समुद्री;
• firn;
• हिमनदों;
• जमीन।

बर्फ है जो सीधे उच्च बनाने की क्रिया द्वारा बनाई गई है, अर्थात। वाष्पशील अवस्था से। यह रूप एक कंकाल के आकार (हम उन्हें हिमपात का एक खंड) और वृक्ष के समान और कंकाल विकास (चूना, ठंढ) के समुच्चय पर लेते हैं।

सबसे आम रूपों में से एक स्टैलेक्टाइट्स है, अर्थात् icicles। वे दुनिया भर में बढ़ते हैं: पृथ्वी की सतह पर, गुफाओं में। शरद ऋतु-वसंत अवधि में लगभग शून्य डिग्री के तापमान अंतर पर पानी की बूंदों को टपकाने से इस प्रकार की बर्फ का निर्माण होता है।

बर्फ की धारियों के रूप में गठन जो जल निकायों के किनारों पर दिखाई देते हैं, पानी और हवा की सीमा पर, साथ ही साथ पोखरों के किनारे पर, बर्फ के किनारे कहलाते हैं।

बर्फ रेशेदार नसों के रूप में झरझरा मिट्टी में बन सकती है।

बर्फ के गुण

पदार्थ विभिन्न राज्यों में हो सकता है। इसके आधार पर, सवाल उठता है: इस या उस राज्य में बर्फ की क्या संपत्ति प्रकट होती है?

वैज्ञानिक भौतिक और यांत्रिक गुणों में अंतर करते हैं। उनमें से प्रत्येक की अपनी विशेषताएं हैं।

भौतिक गुण

बर्फ के भौतिक गुणों में शामिल हैं:

1. घनत्व। भौतिक विज्ञान में, एक अमानवीय माध्यम को उस माध्यम के पदार्थ के द्रव्यमान के अनुपात की सीमा से दर्शाया जाता है, जिसमें यह संलग्न है। पानी का घनत्व, अन्य पदार्थों की तरह, तापमान और दबाव का कार्य है। आमतौर पर गणना में, 1000 किग्रा / मी 3 के बराबर पानी की एक निरंतर घनत्व का उपयोग किया जाता है। एक अधिक सटीक घनत्व संकेतक को केवल तभी ध्यान में रखा जाता है जब परिणामी घनत्व अंतर के महत्व के कारण गणना को सही ढंग से करना आवश्यक होता है।
   बर्फ के घनत्व की गणना करते समय, यह ध्यान में रखा जाता है कि पानी किस प्रकार का बर्फ बन गया: जैसा कि आप जानते हैं, नमक पानी का घनत्व आसुत जल की तुलना में अधिक है।
2. पानि का तापमान। आमतौर पर शून्य डिग्री पर होता है। गर्मी की रिहाई के साथ छलांग में ठंड प्रक्रियाएं होती हैं। रिवर्स प्रक्रिया (पिघलने) तब होती है जब समान मात्रा में गर्मी अवशोषित होती है, जिसे जारी किया गया था, लेकिन बिना कूदता है, लेकिन धीरे-धीरे।
   प्रकृति में, ऐसी स्थितियां हैं जिनके तहत पानी का सुपरकोलिंग होता है, लेकिन यह स्थिर नहीं होता है। कुछ नदियाँ -2 डिग्री के तापमान पर भी अपने जल को तरल रखती हैं।
3. प्रत्येक डिग्री के लिए शरीर के गर्म होने पर अवशोषित होने वाली ऊष्मा की मात्रा। एक विशिष्ट गर्मी क्षमता है, जो एक डिग्री तक आसुत जल के एक किलोग्राम को गर्म करने के लिए आवश्यक गर्मी की मात्रा की विशेषता है।
4. दबाव। बर्फ और बर्फ की एक और भौतिक संपत्ति संपीड़ितता है, जो बढ़े हुए बाहरी दबाव के प्रभाव में मात्रा में कमी को प्रभावित करती है। पारस्परिक को लोच कहा जाता है।
5. बर्फ की ताकत।
6. बर्फ का रंग। यह संपत्ति प्रकाश के अवशोषण और किरणों के बिखरने पर निर्भर करती है, साथ ही साथ जमे हुए पानी में अशुद्धियों की मात्रा भी। विदेशी अशुद्धियों के बिना नदी और झील की बर्फ एक नीली रोशनी में दिखाई देती है। समुद्री बर्फ पूरी तरह से अलग हो सकते हैं: नीले, हरे, नीले, सफेद, भूरे, स्टील के रंग। कभी-कभी काली बर्फ देखी जा सकती है। यह खनिज और विभिन्न कार्बनिक अशुद्धियों की बड़ी मात्रा के कारण इस रंग को प्राप्त करता है।

बर्फ के यांत्रिक गुण

बर्फ और पानी के यांत्रिक गुणों को एक इकाई क्षेत्र के संबंध में बाहरी वातावरण के प्रतिरोध से निर्धारित किया जाता है। यांत्रिक गुण संरचना, लवणता, तापमान और छिद्र पर निर्भर करते हैं।

बर्फ एक लोचदार, चिपचिपा, प्लास्टिक गठन है, लेकिन ऐसी स्थितियां हैं जिनके तहत यह कठोर और बहुत नाजुक हो जाता है।

समुद्री बर्फ और मीठे पानी की बर्फ अलग-अलग होती है: पूर्व में बहुत अधिक प्लास्टिक और कम टिकाऊ होता है।

जहाजों को पास करते समय, बर्फ के यांत्रिक गुणों को ध्यान में रखा जाना चाहिए। बर्फीले सड़कों, घाटों और अधिक का उपयोग करते समय यह भी महत्वपूर्ण है।

पानी, बर्फ और बर्फ में समान गुण होते हैं जो किसी पदार्थ की विशेषताओं को निर्धारित करते हैं। लेकिन एक ही समय में, कई अन्य कारक इन रीडिंग को प्रभावित करते हैं: परिवेश का तापमान, ठोस में अशुद्धियां, और तरल की प्रारंभिक संरचना। बर्फ पृथ्वी पर सबसे दिलचस्प पदार्थों में से एक है।

स्नोफ्लेक्स प्रकृति की सबसे सुंदर, जटिल और बिल्कुल अनोखी रचनाओं में से एक है। वे कैसे बनते हैं, वे किस चीज से बने होते हैं?

बर्फ क्रिस्टल (स्नोफ्लेक) के रूप में ठोस वर्षा है। बर्फ़ के आकार की एक असाधारण विस्तृत विविधता है। उनमें से सबसे सरल हैं: सुई, पोस्ट और प्लेटें। इसके अलावा, बर्फ के टुकड़े के कई जटिल रूप हैं: सुई सितारे; प्लेट सितारे; हेजहोग, कई स्तंभों से मिलकर; प्लेट्स और तारों के सिरों पर पोस्ट। कुछ स्तंभ आकृतियों में आंतरिक गुहा या गुच्छे होते हैं; 12-रे सितारों का भी सामना करना पड़ता है। व्यक्तिगत स्नोफ्लेक्स के आकार बहुत भिन्न हो सकते हैं। सुई के तारों में आमतौर पर सबसे बड़े रैखिक आयाम होते हैं (उनकी त्रिज्या 4-5 मिमी तक पहुंचती है)। स्नोफ्लेक्स अक्सर एक साथ जुड़ते हैं और गुच्छे के रूप में बाहर गिरते हैं। गुच्छे का आकार बहुत बड़ा हो सकता है, 15-20 सेमी तक की त्रिज्या के साथ गुच्छे देखे गए हैं। बर्फ के टुकड़े का आकार पानी के अणुओं के आंतरिक क्रम को दर्शाता है जब वे ठोस अवस्था में होते हैं - बर्फ या बर्फ के रूप में। स्नोफ्लेक्स उसी तरह से विकसित होते हैं जैसे किसी भी पदार्थ के क्रिस्टल एक तरल से ठोस अवस्था में गुजरते हैं: एक दूसरे से जुड़ते हुए, पानी के अणु परस्पर आकर्षण की शक्तियों को अधिकतम करते हैं और प्रतिकर्षण की शक्तियों को कम करते हैं, क्योंकि क्रिस्टलीकरण के दौरान सिस्टम की ऊर्जा कम हो जाती है। कुछ ही मिनटों में, एक गर्म सतह पर गिरने से, एक हिमपात का एक खंड अपनी सजावटी संरचना खो देगा, इसकी अनूठी छवि जो खुद को कभी नहीं दोहराएगी।

बर्फ किस चीज से बनी है? बर्फ से बर्फ के टुकड़े और बर्फ के क्रिस्टल दोनों बनते हैं। एक हिम क्रिस्टल, जैसा कि इसके नाम से पता चलता है, एक एकल बर्फ क्रिस्टल है। स्नोफ्लेक एक अधिक सामान्य शब्द है; इसका मतलब दोनों एक व्यक्तिगत स्नो क्रिस्टल, कई स्नो क्रिस्टल हो सकते हैं जो एक साथ चिपकते हैं, या बर्फ क्रिस्टल के बड़े क्लस्टर जो बर्फ बनाते हैं जो बादलों से गिरते हैं। आइस क्रिस्टल संरचना। बर्फ के क्रिस्टल में पानी के अणु एक हेक्सागोनल जाली (आकृति देखें) बनाते हैं। लाल गेंदें ऑक्सीजन परमाणु हैं। ग्रे स्टिक हाइड्रोजन परमाणु हैं। एक ऑक्सीजन के लिए दो हाइड्रोजन - H2O। स्नोफ्लेक्स की छह गुना समरूपता बर्फ के क्रिस्टल जाली से निकलती है। स्नोफ्लेक्स जल वाष्प से बढ़ते हैं। स्नोफ्लेक जमे हुए वर्षाबूंद नहीं हैं। कभी-कभी बारिश की बूंदें गिरते समय जम जाती हैं, लेकिन इसे ओले कहते हैं। ओलों के पास बर्फ के क्रिस्टल में पाए गए विस्तृत और सममित पैटर्न नहीं हैं। स्नो क्रिस्टल तब बनते हैं जब जल वाष्प सीधे बर्फ में मिल जाता है, जो बादलों में होता है। स्नोफ्लेक्स क्रिस्टल की वृद्धि के कारण होते हैं। क्रिस्टलीय बर्फ का सबसे मूल रूप हेक्सागोनल प्रिज्म है जो ऊपर दिखाया गया है। यह संरचना इसलिए उत्पन्न होती है क्योंकि कुछ निश्चित क्रिस्टल सतहों, चेहरे की सतहों, सामग्री को बहुत धीरे-धीरे जमा करती हैं। यह इस तथ्य के कारण है कि जिस सतह पर कोनों का गठन होता है वह विमान बनाने वाले की तुलना में अधिक ऊर्जावान होता है, क्योंकि कोनों के एक दूसरे के साथ अणुओं के एक बंधन के बनने की संभावना अधिक होती है। यह आसानी से एक चतुष्कोणीय क्रिस्टल के साथ प्रदर्शित किया जा सकता है - सबसे सरल रूप। हेक्सागोनल प्रिज्म के साथ भी यही कहानी है। फोटो वाल्टर टेप द्वारा दक्षिण ध्रुव पर एकत्रित हेक्सागोनल बर्फ के टुकड़े को दिखाता है। ये बर्फ के टुकड़े काफी बड़े हो गए, क्योंकि वे बहुत लंबे समय से जमे हुए थे, जिसने बर्फ के क्रिस्टल के गठन को पूरी तरह से प्रकट करने की अनुमति दी। एक हेक्सागोनल प्रिज्म में दो हेक्सागोनल "बेस" सतहें और छह आयताकार "प्रिज्मीय" सतहों शामिल हैं, जैसा कि आंकड़े में दिखाया गया है। ध्यान दें कि सतहों के विकास की दर के आधार पर एक हेक्सागोनल प्रिज्म प्लेट या स्तंभ हो सकता है। जब बर्फ के क्रिस्टल बहुत छोटे होते हैं, तो वे ज्यादातर साधारण हेक्सागोनल प्रिज्म के रूप में मौजूद होते हैं। लेकिन जब वे बढ़ते हैं, तो प्रिज्म के कोनों से "शाखाएं" अंकुरित होती हैं, जिससे अधिक जटिल आकार बनते हैं।

स्नोफ्लेक्स के जटिल आकार की उत्पत्ति। इस सवाल का जवाब है कि पानी के अणु कैसे बढ़ते हैं और बढ़ते बर्फ के क्रिस्टल पर संघनित हो जाते हैं। अणु क्रिस्टल तक पहुंचने के लिए हवा के माध्यम से यात्रा करते हैं, और यह प्रसार उनके विकास को धीमा कर देता है। बढ़ते क्रिस्टल तक पहुंचने के लिए अधिक दूर के पानी के अणुओं को हवा में यात्रा करनी चाहिए। तो, एक सपाट बर्फ की सतह पर विचार करें जो हवा में बढ़ती है। यदि एक छोटी सी टक्कर होती है और सतह पर बनी रहती है, तो इससे ट्रेस बाकी क्रिस्टल की तुलना में थोड़ा आगे निकल जाता है। इसका मतलब यह है कि अन्य पानी के अणु बाकी क्रिस्टल की तुलना में इस जगह तक तेजी से पहुंच सकते हैं, क्योंकि उन्हें इसके लिए आगे बढ़ना होगा।

जैसे-जैसे टकराव स्थल तक पानी के अणुओं की संख्या बढ़ती है, टकराव स्थल तेजी से बढ़ता है। थोड़े समय के बाद, टकराव अधिक बार होता है, और विकास भी तेज होता है। फिर ब्रांचिंग अस्थिरता को क्या कहा जाता है - बड़ी शाखाओं पर नए छोटे टकराव उत्पन्न होते हैं, और साइड शाखाओं के गठन की साइट बन जाती है। इस तरह जटिलता पैदा होती है। यह अस्थिरता बर्फ के क्रिस्टल के जटिल आकृतियों के निर्माण का मुख्य कारण है।

जब ब्रांचिंग अस्थिरता को बार-बार बर्फ के क्रिस्टल पर लागू किया जाता है, तो इसका परिणाम यह होता है जिसे आइस डेन्ड्राइट कहा जाता है। शब्द "डेन्ड्राइट" का अर्थ है "आर्बरल" और स्टेलेट ट्रेलेक स्नो क्रिस्टल आम हैं। पानी के अणुओं की प्रसार दर को प्रयोगशाला में बदला जा सकता है। जब बर्फ के क्रिस्टल वायुमंडलीय दबाव से नीचे हवा में उगाए जाते हैं, तो वे कम शाखा वाले होते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि प्रसार कम दबाव में विकास को बाधित नहीं करता है, इसलिए शाखाओं में बंटी अस्थिरता इतनी तीव्र नहीं है। उच्च दबाव में, अधिक शाखाओं वाले बर्फ के क्रिस्टल बनते हैं। स्नो क्रिस्टल की वृद्धि, पहलुओं और शाखाओं के बीच संतुलन पर निर्भर करती है। चेहरे सरल सपाट सतहों का निर्माण करते हैं, जबकि शाखाएं अधिक जटिल संरचनाएं बनाती हैं। किनारों और शाखाओं के बीच की बातचीत सूक्ष्म और अत्यधिक तापमान और आर्द्रता जैसे मापदंडों पर निर्भर करती है। इसका मतलब यह है कि बर्फ के क्रिस्टल कई अलग-अलग तरीकों से विकसित हो सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप बहुत सारी विविधता होती है जो बर्फ के आकार में दिखाई देती है।

प्रसिद्ध खगोलशास्त्री जोहान्स केपलर ने सबसे पहले स्नोफ्लेक्स का अध्ययन किया था। 1611 में, उन्होंने "ऑन हेक्सागोनल स्नोफ्लेक्स" नामक एक ग्रंथ प्रकाशित किया, जिसमें उन्होंने मुख्य रूप से उनकी संरचना के ज्यामितीय पहलुओं का विश्लेषण किया। अगली सफलता के लिए दो से अधिक शताब्दियों तक इंतजार करना पड़ा। अपने 15 वें जन्मदिन पर, मेरी माँ ने अपने बेटे को, वरमोंट के एक युवा किसान, विल्सन एल्विन बेंटले, एक माइक्रोस्कोप दिया। और उन्होंने इसमें बर्फ के टुकड़े को देखने का फैसला किया। 15 जनवरी, 1885 को, उन्होंने एक माइक्रोस्कोप में एक कैमरा संलग्न करके बर्फ के टुकड़े की पहली तस्वीर ली और इसे काले पेपर की पृष्ठभूमि के खिलाफ फोटो खींचा। अपने जीवन के अंत तक, उन्हें 5381 स्नोफ्लेक्स के चित्र मिले। 1920 में उन्हें राष्ट्रीय मौसम सेवा में एक पद प्राप्त होगा और उनके शोध के लिए $ 25 का अनुदान मिलेगा, और बर्फ न केवल खेतों पर, बल्कि कैनेटीक्स और क्रिस्टलोग्राफर्स की प्रयोगशालाओं में भी गिरना शुरू हो जाएगी। लेकिन यह बेंटले ही था जिसने पहली बार कहा था कि उसने कभी दो समान स्नोफ्लेक नहीं देखे हैं। व्यापक मान्यता है कि प्रकृति में दो समान स्नोफ्लेक्स नहीं हैं। ऐसा लगता है कि कैसे होगा। आसमान से लाखों बरस रहे हैं। लेकिन, दूसरी ओर, यदि हम मोटे तौर पर अनुमान लगाते हैं, तो एक बर्फ के टुकड़े में लगभग 1020 पानी के अणु होते हैं, और मानव आंख एक बर्फ के टुकड़े के लगभग 100 दृश्य मापदंडों को निर्धारित करने में सक्षम होती है। तो इस तरह के एक मोज़ेक को एक परिमित में बनाया जा सकता है, लेकिन बहुत बड़ी संख्या में तरीके। और अगर आपको याद है कि ऑक्सीजन और हाइड्रोजन के परमाणुओं में अलग-अलग आइसोटोप हैं, लेकिन पानी में अभी भी अशुद्धियां हैं ... सामान्य तौर पर, यह स्वीकार करने योग्य है कि प्रकृति में दो समान बर्फ के टुकड़े नहीं हैं। लेकिन क्रिस्टल का एक सममित आकार होता है। इतने कम स्थान में स्थूल कारक (तापमान, दबाव, विभिन्न पदार्थों की सांद्रता) जैसे कि समय के एक क्षण में क्रिस्टल नाभिक की वर्तमान स्थिति बहुत भिन्न नहीं होती है, और सभी दिशाओं में वृद्धि समान होती है। जब तक एक ब्रेक होता है या, इसके विपरीत, चिपके रहते हैं।

शुद्ध पानी एक रंगहीन पारदर्शी तरल है। एक ठोस अवस्था से तरल में परिवर्तित होने के दौरान पानी का घनत्व कम नहीं होता है, जैसा कि लगभग सभी अन्य पदार्थों में होता है, लेकिन बढ़ता है। जब पानी 0 से 4 डिग्री सेल्सियस तक गर्म होता है, तो इसका घनत्व भी बढ़ जाता है। 4 डिग्री सेल्सियस पर, पानी में अधिकतम घनत्व होता है, और केवल आगे हीटिंग के साथ इसका घनत्व कम हो जाता है।

यदि, तापमान में कमी के साथ और तरल अवस्था से ठोस अवस्था में संक्रमण के साथ, पानी का घनत्व उसी तरह से बदल जाता है जैसे कि यह अधिकांश पदार्थों के भारी बहुमत के लिए होता है, तो सर्दियों के दृष्टिकोण के साथ, प्राकृतिक जल की सतह परतें ठंडा हो जाती हैं। 0 ° С तक नीचे जाएगा और नीचे तक डूब जाएगा, गर्म परतों के लिए जगह खाली कर देगा, और यह तब तक जारी रहेगा जब तक जलाशय के पूरे द्रव्यमान ने 0 ° С का तापमान हासिल नहीं कर लिया। इसके अलावा, पानी जमना शुरू हो जाएगा, गठित बर्फ नीचे तक डूब जाएगी और जलाशय अपनी पूरी गहराई से जम जाएगा। हालांकि, पानी में जीवन के कई रूप असंभव होंगे। लेकिन चूंकि पानी 4 डिग्री सेल्सियस पर अपने उच्चतम घनत्व तक पहुंच जाता है, इस तापमान तक पहुंचने पर शीतलन के कारण इसकी परतों की आवाजाही होती है। तापमान में और कमी के साथ, कम घनत्व वाली ठंडी परत सतह पर बनी रहती है, जम जाती है और इस तरह अंतर्निहित परतों को आगे ठंडा और ठंड से बचाती है।

प्रकृति के जीवन में महान महत्व का तथ्य यह है कि पानी। एक असामान्य रूप से उच्च ताप क्षमता है, इसलिए, रात में, साथ ही गर्मियों से सर्दियों के लिए संक्रमण के दौरान, पानी धीरे-धीरे ठंडा होता है, और दिन में या सर्दियों से गर्मियों में संक्रमण के दौरान, यह धीरे-धीरे गर्म होता है, इस प्रकार यह दुनिया पर तापमान नियामक होता है।

इस तथ्य के कारण कि जब बर्फ पिघलती है, तो पानी द्वारा कब्जा की गई मात्रा कम हो जाती है, दबाव बर्फ के पिघलने बिंदु को कम करता है। यह Le Chatelier के सिद्धांत से निम्नानुसार है। सचमुच, रहने दो। बर्फ और तरल पानी 0 ° C पर संतुलन में हैं। दबाव में वृद्धि के साथ, ले चेटेलियर के सिद्धांत के अनुसार संतुलन, उस चरण के गठन की ओर शिफ्ट होगा जो एक ही तापमान पर एक छोटी मात्रा में रहता है। यह चरण इस मामले में तरल है। इस प्रकार, О ° С पर दबाव में वृद्धि से बर्फ का तरल में परिवर्तन होता है, जिसका अर्थ है कि बर्फ का पिघलने बिंदु कम हो जाता है।

पानी के अणु में एक कोणीय संरचना होती है; नाभिक अपनी संरचना में शामिल एक समद्विबाहु त्रिकोण बनाता है, जिसके आधार पर दो प्रोटॉन होते हैं, और शीर्ष पर एक ऑक्सीजन परमाणु का नाभिक होता है। O-H आंतरिक परमाणु 0.1 एनएम के करीब है, हाइड्रोजन परमाणुओं के नाभिक के बीच की दूरी लगभग 0.15 एनएम है। पानी के अणु में ऑक्सीजन परमाणु की बाहरी इलेक्ट्रॉन परत बनाने वाले आठ इलेक्ट्रॉनों में से दो इलेक्ट्रॉन जोड़े सहसंयोजक O-H बंध बनाते हैं, और शेष चार इलेक्ट्रॉन दो अकेले इलेक्ट्रॉन जोड़े हैं।

पानी के अणु में ऑक्सीजन परमाणु? ईएकेओएई अवस्था में है। इसलिए, बंधन कोण НОН (104.3 °) टेट्राहेड्रल (109.5 °) के करीब है। O - H बॉन्ड बनाने वाले इलेक्ट्रॉनों को अधिक विद्युतीय ऑक्सीजन परमाणु की ओर विस्थापित किया जाता है। नतीजतन, हाइड्रोजन परमाणु प्रभावी सकारात्मक चार्ज प्राप्त करते हैं, जिससे इन परमाणुओं पर दो सकारात्मक ध्रुव बनते हैं। ऑक्सीजन परमाणु के अकेले इलेक्ट्रॉन जोड़े के नकारात्मक आरोपों के केंद्र, जो हाइब्रिड ऑर्बिटल्स में स्थित हैं, परमाणु नाभिक के सापेक्ष विस्थापित होते हैं और दो नकारात्मक ध्रुव बनाते हैं।

वाष्पशील पानी का आणविक भार 18 है और इसके सरलतम सूत्र से मेल खाता है। हालांकि, तरल पानी के आणविक वजन, अन्य सॉल्वैंट्स में इसके समाधान का अध्ययन करके निर्धारित किया जाता है, उच्चतर होता है। यह इंगित करता है कि तरल पानी में अणुओं का एक संघ होता है, अर्थात, अधिक जटिल समुच्चय में उनका संबंध। पानी के पिघलने और उबलने के असामान्य रूप से उच्च मूल्यों से भी इस निष्कर्ष की पुष्टि होती है। पानी के अणुओं का जुड़ाव उनके बीच हाइड्रोजन बांड के गठन के कारण होता है।

ठोस पानी (बर्फ) में, प्रत्येक अणु का ऑक्सीजन परमाणु उस योजना के अनुसार पड़ोसी पानी के अणुओं के साथ दो हाइड्रोजन बांड के निर्माण में भाग लेता है जिसमें हाइड्रोजन बांड एक बिंदीदार रेखा द्वारा दिखाए जाते हैं। बर्फ की वॉल्यूमेट्रिक संरचना का आरेख चित्र में दिखाया गया है। हाइड्रोजन बांड के गठन से पानी के अणुओं की व्यवस्था होती है जिसमें वे एक दूसरे को अपने विपरीत ध्रुवों से स्पर्श करते हैं। अणु परतें बनाते हैं, जिनमें से प्रत्येक एक ही परत से संबंधित तीन अणुओं के साथ जुड़ा हुआ है, और एक आसन्न परत से। बर्फ की संरचना सबसे कम घने संरचनाओं से संबंधित है, इसमें voids हैं, कम से कम घने संरचनाओं के आकार हैं, इसमें voids हैं, जिनमें से आयाम अणु के आकार से कुछ बड़े हैं।

जब बर्फ पिघलती है, तो इसकी संरचना नष्ट हो जाती है। लेकिन तरल पानी में भी, अणुओं के बीच हाइड्रोजन बांड संरक्षित होते हैं: सहयोगी बनते हैं - जैसे बर्फ की संरचना के टुकड़े - अधिक या कम पानी के अणुओं से मिलकर। हालांकि, बर्फ के विपरीत, प्रत्येक सहयोगी बहुत कम समय के लिए मौजूद होता है: कुछ का विनाश और अन्य समुच्चय का गठन लगातार होता है। एकल पानी के अणु ऐसे "बर्फ" समुच्चय के voids में स्थित हो सकते हैं; इस मामले में, पानी के अणुओं की पैकिंग सघन हो जाती है। इसीलिए, जब बर्फ पिघलती है, तो पानी के कब्जे में आयतन कम हो जाता है, और इसका घनत्व बढ़ जाता है।

जैसे-जैसे पानी गर्म होता है, इसमें बर्फ की संरचना का मलबा और कम होता जाता है, जिससे पानी के घनत्व में और वृद्धि होती है। तापमान में 0 से 4 डिग्री सेल्सियस तक, यह प्रभाव थर्मल विस्तार पर प्रबल होता है, ताकि पानी का घनत्व बढ़ता रहे। हालांकि, 4 डिग्री सेल्सियस से ऊपर गर्म होने पर, अणुओं की वृद्धि हुई थर्मल गति का प्रभाव प्रबल हो जाता है और पानी का घनत्व कम हो जाता है। इसलिए, 4 डिग्री सेल्सियस पर, पानी में अधिकतम घनत्व होता है।

जब पानी गर्म होता है, तो गर्मी का कुछ हिस्सा हाइड्रोजन बॉन्ड्स को तोड़ने में खर्च होता है (पानी में हाइड्रोजन बॉन्ड तोड़ने की ऊर्जा लगभग 25 kJ / mol) होती है। यह पानी की उच्च ताप क्षमता की व्याख्या करता है।

हमारे जीवन में पानी सबसे व्यापक और सबसे आम पदार्थ है। मानव शरीर 70% पानी है, और हमारे आसपास के प्राकृतिक वातावरण में भी 70% पानी है।

हम स्कूल की पाठ्यपुस्तकों से जानते हैं कि पानी के अणु में एक ऑक्सीजन परमाणु और दो हाइड्रोजन परमाणु होते हैं, अर्थात्। सबसे छोटे और सबसे हल्के अणुओं में से एक। हमारे द्वारा पानी के उन गुणों के लिए सभी संयम और स्पष्टता के साथ जो हम लगातार उपयोग करते हैं, तरल पानी के विरोधाभास हैं जो पृथ्वी पर जीवन के रूपों को भी निर्धारित करते हैं।

तरल पानी में बर्फ की तुलना में घनत्व अधिक होता है। इसलिए, जब ठंड होती है, तो बर्फ की मात्रा बढ़ जाती है, बर्फ पानी की सतह पर तैरती है।

पानी का घनत्व 4 डिग्री सेल्सियस पर अधिकतम होता है, और पिघलने बिंदु पर नहीं, इस तापमान के दाईं और बाईं ओर दोनों घट जाता है।

बढ़ते दबाव से पानी की चिपचिपाहट कम हो जाती है।

पानी का क्वथनांक पदार्थों के आणविक भार (चित्रा 1.1) पर क्वथनांक की सामान्य निर्भरता से स्वतंत्र है। अन्यथा, यह 60 डिग्री सेल्सियस से अधिक नहीं होना चाहिए।

पानी की ताप क्षमता किसी भी अन्य तरल की तुलना में कम से कम दो बार होती है।

वाष्पीकरण की गर्मी (~ 2250 kJ / kg) किसी भी अन्य तरल की तुलना में कम से कम तीन गुना अधिक है, इथेनॉल की तुलना में 8 गुना अधिक है।

पानी की इस अंतिम संपत्ति पर विचार करें। वाष्पीकरण की ऊष्मा, संघनित अवस्था से गैसीय अवस्था में अपने संक्रमण के दौरान अणुओं के बीच के बंधन को तोड़ने के लिए आवश्यक ऊर्जा है। इसका मतलब यह है कि सभी विरोधाभासी गुणों का कारण पानी के अंतर-आणविक बंधों की प्रकृति में है, और यह, बदले में, पानी के अणु की संरचना से निर्धारित होता है।

चित्र 1.1। विभिन्न यौगिकों के आणविक भार और उनके क्वथनांक के अनुपात की सीमा।

1. यह क्या है - एक पानी का अणु?

1780 में। Lavoisier ने प्रायोगिक रूप से यह स्थापित किया कि पानी में ऑक्सीजन और हाइड्रोजन होते हैं, हाइड्रोजन के दो खंड ऑक्सीजन की एक मात्रा के साथ बातचीत करते हैं, और पानी में हाइड्रोजन और ऑक्सीजन का द्रव्यमान अनुपात 2:16 है। 1840 तक, यह स्पष्ट हो गया कि पानी का आणविक सूत्र H 2 O है।

अणु में तीन नाभिक आधार पर दो प्रोटॉन के साथ एक समद्विबाहु त्रिकोण बनाते हैं (चित्र 1.2)। पानी के अणु का इलेक्ट्रॉनिक सूत्र [(1S 2)] [(1S 2) (2S 2) (2P 4)] है।

चित्र 1.2।बाध्यकारी मो की एक प्रणाली का गठन। ऑक्सीजन परमाणु के 2p ऑर्बिटल्स और 1रों-आक्सीजन के परमाणु परमाणु और 1रों-वायु हाइड्रोजन परमाणुओं का।

ऑक्सीजन के दो इलेक्ट्रॉनों 2p के संबंध में हाइड्रोजन 1 s के दो इलेक्ट्रॉनों की भागीदारी के कारण, sphybridization होता है और हाइब्रिड एसपी 3 ऑर्बिटल्स 104.5 डिग्री के बीच उनके बीच एक विशेषता कोण के साथ बनता है, साथ ही विपरीत चार्ज के दो ध्रुव। ओ-एच बांड की लंबाई 0.95 length (0.095 एनएम) है, प्रोटॉन के बीच की दूरी 1.54 length (0.154 एनएम) है। चित्र 1.3 में पानी के अणु का एक इलेक्ट्रॉनिक मॉडल दिखाया गया है।

चित्र 1.3। अणु H का इलेक्ट्रॉनिक मॉडल 2 के बारे में।

आठ इलेक्ट्रॉन तीन विमानों (कोण 90) में स्थित चार कक्षाओं में जोड़े में घूमते हैं के बारे में ) कि घन में फिट। 1, 2 - इलेक्ट्रॉनों के अकेले जोड़े।

इस विचार का सबसे महत्वपूर्ण परिणाम: आवेश वितरण की विषमता H2O अणु को द्विध्रुवीय में बदल देती है: प्रोटॉन दो धनात्मक छोरों पर स्थित होते हैं, और ऑक्सीजन पी-इलेक्ट्रॉनों के दो जोड़े दो नकारात्मक छोरों पर स्थित होते हैं।

इस प्रकार, एक पानी के अणु को एक त्रिकोणीय पिरामिड के रूप में माना जा सकता है - एक टेट्राहेड्रॉन, जिसके कोनों पर चार आरोप हैं - दो सकारात्मक और दो नकारात्मक।

ये चार्ज उनके निकटतम वातावरण का निर्माण करते हैं, पड़ोसी पानी के अणुओं को कड़ाई से परिभाषित तरीके से खोलते हैं - ताकि दो ऑक्सीजन परमाणुओं के बीच हमेशा केवल एक हाइड्रोजन परमाणु हो। इस तरह के एक इंटरमॉलिकुलर संरचना की कल्पना और अध्ययन करने का सबसे आसान तरीका एक ठोस अवस्था में पानी पर है। चित्र 1.4 बर्फ की संरचना को दर्शाता है।

चित्र: 1.4। हेक्सागोनल बर्फ संरचना

संरचना ओ-एच ... ओ बांड द्वारा एक साथ आयोजित की जाती है। एक हाइड्रोजन परमाणु की मध्यस्थता के माध्यम से पड़ोसी पानी के अणुओं के दो ऑक्सीजन परमाणुओं के इस तरह के संयोजन को हाइड्रोजन बंधन कहा जाता है।

हाइड्रोजन बांड निम्नलिखित कारणों से होता है:

1 - प्रोटॉन में केवल एक इलेक्ट्रॉन होता है, इसलिए दो परमाणुओं का इलेक्ट्रॉनिक प्रतिकर्षण न्यूनतम होता है। एक प्रोटॉन बस एक पड़ोसी परमाणु के इलेक्ट्रॉन खोल में डूब जाता है, परमाणुओं के बीच की दूरी को 20-30% (1 Å तक) तक कम करता है;

2 - पड़ोसी परमाणु का एक बड़ा वैद्युतीयऋणात्मकता मान होना चाहिए। पारंपरिक शब्दों में (पॉलिंग के अनुसार) इलेक्ट्रोनगेटिविटी एफ - 4.0; O - 3.5; N - 3.0; Cl - 3.0; C - 2.5; S - 2.5।

एक पानी के अणु में चार हाइड्रोजन बांड हो सकते हैं, दो में यह इलेक्ट्रॉन दाता के रूप में कार्य करता है, दो में - इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के रूप में। और ये बंधन पड़ोसी पानी के अणुओं और अन्य पदार्थों के साथ उत्पन्न हो सकते हैं।

तो, द्विध्रुवीय क्षण, H-O-H कोण और O-H ... O हाइड्रोजन बॉन्ड पानी के अद्वितीय गुणों को निर्धारित करते हैं और हमारे आसपास की दुनिया के निर्माण में एक प्रमुख भूमिका निभाते हैं।

के। केम।

आधुनिक पानी मॉडल

यदि हम स्कूल रसायन विज्ञान पाठ्यक्रम में एक छोटा भ्रमण करते हैं, तो हम याद करते हैं कि दो इलेक्ट्रॉन जोड़े हाइड्रोजन और ऑक्सीजन परमाणुओं के बीच ध्रुवीय सहसंयोजक बंधन बनाते हैं, और शेष दो इलेक्ट्रॉन जोड़े मुक्त रहते हैं और कहा जाता है अविभाजित... पानी के अणु में एक कोणीय संरचना है, एच - ओ - एच कोण 104.5 डिग्री है।

चित्र: पानी का अणु

चूँकि ऑक्सीजन परमाणु में अधिक इलेक्ट्रॉन होते हैं (रसायनज्ञों का कहना है कि हाइड्रोजन परमाणु की तुलना में ऑक्सीजन परमाणु अधिक विद्युतीय है), दो हाइड्रोजन परमाणुओं के इलेक्ट्रॉनों को अधिक विद्युतीय ऑक्सीजन परमाणु की ओर स्थानांतरित कर दिया जाता है, जिससे हाइड्रोजन परमाणुओं के दो धनात्मक आवेशों को दो परमाणुओं द्वारा मुआवजा दिया जा सकता है। ऑक्सीजन परमाणु के ऋणात्मक आवेश से हाइड्रोजन। इसलिए, इलेक्ट्रॉन क्लाउड में गैर-समान घनत्व है। हाइड्रोजन नाभिक के पास इलेक्ट्रॉन घनत्व की कमी है, और ऑक्सीजन नाभिक के पास अणु के विपरीत तरफ इलेक्ट्रॉन घनत्व की अधिकता देखी जाती है। यह जल अणु को ध्रुवों पर धनात्मक और ऋणात्मक आवेश वाले एक छोटे द्विध्रुवीय बनाता है। यह यह संरचना है जो पानी के अणु की ध्रुवीयता को निर्धारित करती है। अगर हम धनात्मक और ऋणात्मक आवेशों के केंद्रों को सीधी रेखाओं से जोड़ते हैं, तो हमें एक त्रि-आयामी ज्यामितीय आकृति मिलती है - एक नियमित टेट्राह्रोन। लेकिन ऐसा टेट्राहेड्रॉन पानी की संरचना का केवल पहला बुनियादी स्तर है।

चित्र: पानी के अणु की संरचना: ए) कोणीय; बी) गेंद; c) टेट्राहेड्रल

पानी के रासायनिक संगठन का दूसरा स्तर पानी के टेट्राहेड्रोन को विशेष बॉन्ड बनाने की क्षमता द्वारा निर्धारित किया जाता है, जिसे हाइड्रोजन बॉन्ड कहा जाता है, जो अलग-अलग अणुओं को एक-दूसरे से सहयोगियों में बांधते हैं।

हाइड्रोजन बांड अंतर-आणविक बातचीत के रसायन विज्ञान में वैश्विक महत्व का है और मुख्य रूप से कमजोर इलेक्ट्रोस्टैटिक बलों और प्रभावों के कारण है। यह तब होता है जब एक पानी के अणु के इलेक्ट्रॉन-रहित हाइड्रोजन परमाणु एक पड़ोसी पानी के अणु के ऑक्सीजन परमाणु के अकेले इलेक्ट्रॉन जोड़े के साथ बातचीत करता है।

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चित्र: प्रत्येक पानी का अणु चार पड़ोसी अणुओं के साथ हाइड्रोजन बांड बनाने में सक्षम है

बर्फ की क्रिस्टल संरचना में, प्रत्येक अणु टेट्राहेड्रोन के कोने की ओर निर्देशित 4 हाइड्रोजन बंधों में भाग लेता है। इस टेट्राहेड्रोन के केंद्र में एक ऑक्सीजन परमाणु है, दो सिरों में - एक हाइड्रोजन परमाणु, जिनमें से इलेक्ट्रॉन ऑक्सीजन के साथ एक सहसंयोजक बंधन के निर्माण में शामिल होते हैं। दो शेष कोने ऑक्सीजन वैलेंस इलेक्ट्रॉनों के जोड़े के कब्जे में हैं, जो इंट्रामोल्युलर बॉन्ड के गठन में शामिल नहीं हैं।

चावल ... बर्फ के क्रिस्टल जाली में हाइड्रोजन बांड

बर्फ के विपरीत, तरल पानी में, हाइड्रोजन बांड आसानी से नष्ट हो जाते हैं और जल्दी से बहाल हो जाते हैं, जो पानी की संरचना को बेहद परिवर्तनशील बनाता है। यह इन कनेक्शनों के लिए धन्यवाद है कि पानी के अजीबोगरीब सहयोगी - इसके संरचनात्मक तत्व - पानी के व्यक्तिगत माइक्रोवोल्यूम में लगातार उत्पन्न होते हैं। यह सब पानी की संरचना में विविधता की ओर जाता है।

पहला विचार यह है कि इसकी संरचना में पानी विषम है 1884 में व्हिटिंग द्वारा व्यक्त किया गया था। उनके इस लेख को मोनोग्राफ "द नेचर ऑफ वॉटर" में उद्धृत किया गया है। हैवी वाटर ”, 1935 में प्रकाशित। उसके बाद, बहुत सारे काम दिखाई दिए, जिसमें पानी को विभिन्न रचनाओं ("हाइड्रॉल") के सहयोगियों के मिश्रण के रूप में माना जाता था।

जब 1920 के दशक में बर्फ की संरचना निर्धारित की गई थी, तो यह पता चला कि क्रिस्टलीय अवस्था में पानी के अणु एक तीन आयामी निरंतर नेटवर्क बनाते हैं, जिसमें प्रत्येक अणु में चार निकटतम पड़ोसी होते हैं जो एक नियमित टेट्राहेड्रोन के कोने पर स्थित होते हैं। 1933 में जे। बर्नल और पी। फाउलर ने सुझाव दिया कि एक समान जाल तरल पानी में मौजूद है। चूंकि पानी बर्फ की तुलना में घना होता है, इसलिए उनका मानना \u200b\u200bथा कि इसमें अणु उसी तरह से नहीं होते हैं जैसे कि बर्फ में, जैसे कि खनिज में सिलिकॉन परमाणु ट्राइडिमाइट, साथ ही साथ सिलिकॉन सघनता में एक सघन सिलिका संशोधन - क्वार्ट्ज। 0 से 4 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करने पर पानी के घनत्व में वृद्धि को कम तापमान पर ट्राइडीमाइट घटक की उपस्थिति से समझाया गया था। इस प्रकार, बर्नल - फाउलर मॉडल ने दो संरचनाओं के तत्व को बरकरार रखा, लेकिन उनकी मुख्य उपलब्धि निरंतर टेट्राहेड्रल मेष का विचार है। तब आई। लैंगमुइर की प्रसिद्ध कामोत्तेजना प्रकट हुई: "महासागर एक बड़ा अणु है"।

केवल 1951 में जे। पोपल ने बनाया निरंतर जाल मॉडल, जो बर्नल-फाउलर मॉडल के रूप में विशिष्ट नहीं था। पोपल ने पानी की एक यादृच्छिक टेट्राहेड्रल ग्रिड के रूप में कल्पना की, जिसमें अणुओं के बीच के बंधन घुमावदार होते हैं और अलग-अलग लंबाई के होते हैं। पॉपल का मॉडल बॉन्ड के झुकने से पिघलने के दौरान पानी के संघनन की व्याख्या करता है। जब 60 और 70 के दशक में संरचना की पहली परिभाषाएं सामने आईं बर्फ II तथा नौवीं, यह स्पष्ट हो गया कि बांडों की वक्रता कैसे एक सघन संरचना को जन्म दे सकती है। पोप का मॉडल तापमान और दबाव के साथ-साथ दो-राज्य मॉडल पर पानी के गुणों की निर्भरता की गैर-सूक्ष्मता की व्याख्या नहीं कर सका। इसलिए, दो राज्यों के विचार को कई वैज्ञानिकों ने लंबे समय तक साझा किया था।

चित्र: निरंतर जाल मॉडल

20 वीं सदी के उत्तरार्ध में, the के अलावा निरंतर"मॉडल (पोपल मॉडल)," मिश्रित "मॉडल के दो समूह उत्पन्न हुए: समूहतथा clathratese। पहले समूह में, पानी हाइड्रोजन बांडों द्वारा जुड़े अणुओं के समूहों के रूप में दिखाई दिया, जो अणुओं के समुद्र में तैरते थे, ऐसे बंधन में भाग नहीं लेते थे। दूसरे समूह के मॉडल ने पानी को हाइड्रोजन बांड के निरंतर नेटवर्क के रूप में माना - एक रूपरेखा जिसमें voids शामिल हैं; उनमें ऐसे अणु होते हैं जो ढांचे के अणुओं के साथ बंधन नहीं बनाते हैं।

के बीच में क्लस्टर मॉडल सबसे हड़ताली जी नेमेथी और एच। शेरागी का मॉडल था, उन्होंने जो तस्वीरें प्रस्तावित कीं, वे अणुओं के समूहों को दर्शाते हुए अणुओं के समुंदर में तैरते समूहों को दर्शाती हैं, कई मोनोग्राफ में शामिल थे।

फ्रैंक और वेन द्वारा 1957 में प्रस्तावित एक और जल मॉडल झिलमिलाता क्लस्टर मॉडल है। यह मॉडल पानी की संरचना की आधुनिक अवधारणाओं के बहुत करीब है। इस मॉडल में, पानी में हाइड्रोजन बांड लगातार बनते और टूटते हैं, और ये प्रक्रियाएं पानी के अणुओं के अल्पकालिक समूहों के भीतर सहकारी रूप से आगे बढ़ती हैं, जिन्हें "झिलमिलाहट क्लस्टर" कहा जाता है। उनके जीवनकाल का अनुमान 10-10 से 10-11 के बीच है। यह प्रतिनिधित्व बहुतायत से तरल पानी की उच्च डिग्री और इसकी कम चिपचिपाहट की व्याख्या करता है। यह माना जाता है कि ये गुण पानी को सबसे बहुमुखी सॉल्वैंट्स में से एक बनाते हैं।

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2002 में, एक सुपर-शक्तिशाली एक्स-रे स्रोत एडवांस्ड लाइट सोर्स (ALS) का उपयोग करते हुए एक्स-रे विवर्तन विश्लेषण द्वारा डॉ हेड-गॉर्डन के समूह ने यह दिखाने में सक्षम किया कि पानी के अणु हाइड्रोजन बांड के कारण संरचनाएं बनाने में सक्षम हैं - पानी की "सच्ची ईंटें", जो कि टोपोलॉजिकल चेन और रिंग हैं कई पानी के अणुओं से। प्राप्त प्रयोगात्मक आंकड़ों की व्याख्या करने में, शोधकर्ता उन्हें लंबे समय तक रहने वाले संरचनात्मक तत्व मानते हैं। मूल रूप से, पानी विकारित पॉलिमर और काल्पनिक "वाटर क्रिस्टल" (जो पिघले पानी में मौजूद माना जाता है) का एक संग्रह है, जहां हाइड्रोजन-बंधुआ अणुओं की संख्या सैकड़ों या हजारों तक भी पहुंच सकती है।

"जल क्रिस्टल" में विभिन्न प्रकार के आकार हो सकते हैं, दोनों स्थानिक और द्वि-आयामी (अंगूठी संरचनाओं के रूप में)। सब कुछ के दिल में tetrahedron है। यह एक पानी के अणु का आकार है। समूहीकरण, पानी के अणुओं के टेट्राहेड्रॉन विभिन्न स्थानिक और प्लानेर संरचनाओं का निर्माण करते हैं। और प्रकृति में सभी प्रकार की संरचनाओं में, आधार हेक्सागोनल (हेक्सागोनल) संरचना है, जब छह पानी के अणु (टेट्राहेड्रोन) एक अंगूठी में संयुक्त होते हैं। इस प्रकार की संरचना बर्फ, बर्फ और पिघले पानी के लिए विशिष्ट है।

चित्र: 1। बर्फ की क्रिस्टल संरचना

जब बर्फ पिघलती है, तो इसकी टेट्रागोनल संरचना ध्वस्त हो जाती है और गुच्छों का मिश्रण बन जाता है, जिसमें ट्राई-, टेट्रा-, पेंटा- और पानी के हेक्सामर्स और मुक्त पानी के अणु शामिल होते हैं। योजनाबद्ध रूप से, इस प्रक्रिया को निम्नानुसार दर्शाया जा सकता है।

चावल ... तरल पानी की संरचना। पानी में, क्लस्टर समय-समय पर टूटते हैं और फिर से बनते हैं। कूदने का समय 10-12 सेकंड है।

इन गठन सहयोगियों की संरचना का अध्ययन करना काफी मुश्किल हो गया, क्योंकि पानी विभिन्न पॉलिमर का मिश्रण है जो एक दूसरे के साथ संतुलन में हैं। एक-दूसरे से टकराते हुए, पॉलिमर एक दूसरे में बदल जाते हैं, विघटित हो जाते हैं और फिर से बन जाते हैं।

इस मिश्रण को अलग-अलग घटकों में अलग करना भी लगभग असंभव है। केवल 1993 में, डॉ। आर। जे। सैकल्ली के नेतृत्व में कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय (बर्कले, संयुक्त राज्य अमेरिका) के शोधकर्ताओं के एक समूह ने 1996 में पानी के ट्रिमर की संरचना को दशमूलारित किया - टेट्रामर और पेंटामेर, और फिर पानी के हेक्सामर। इस समय तक, यह पहले ही स्थापित हो चुका था कि तरल पानी में तीन से छह पानी के अणुओं वाले बहुलक सहयोगी (क्लस्टर) होते हैं।

हेक्सामेयर की संरचना अधिक जटिल हो गई। सबसे सरल संरचना - षट्भुज के कोने पर छह पानी के अणु - एक कोशिका की संरचना के रूप में मजबूत नहीं पाए गए। इसके अलावा, एक प्रिज्म की संरचनाएं, एक खुली किताब, या एक नाव भी कम स्थिर रही। एक षट्भुज में केवल छह हाइड्रोजन बांड हो सकते हैं, और प्रयोगात्मक डेटा आठ की उपस्थिति का संकेत देते हैं। इसका मतलब है कि चार पानी के अणु हाइड्रोजन बॉन्ड द्वारा क्रॉस-लिंक्ड हैं।

पानी के समूहों की संरचनाएं मिली हैं और सैद्धांतिक रूप से, आज की कंप्यूटिंग तकनीक आपको ऐसा करने की अनुमति देती है। 1999 में, स्टानिस्लाव ज़ेनिन ने बी। पोलान्यर (अब अमरीका में) के साथ मिलकर स्टेट रिसर्च इंस्टीट्यूट ऑफ़ जेनेटिक्स में पानी का अध्ययन किया, जिसमें बहुत दिलचस्प नतीजे सामने आए। विश्लेषण के आधुनिक तरीकों - रिफ्रेक्टोमेट्री, प्रोटॉन प्रतिध्वनि और तरल क्रोमैटोग्राफी का उपयोग करते हुए, वे पानी के अणुओं के सहयोगियों का पता लगाने में सक्षम थे - क्लस्टर।

री से। संभव पानी के गुच्छे

एक दूसरे के साथ संयोजन करके, क्लस्टर अधिक जटिल संरचनाएं बना सकते हैं:

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चित्र: 20 पानी के अणुओं का एक समूह का गठन।

प्राप्त आंकड़ों का विश्लेषण करते हुए, उन्होंने सुझाव दिया कि पानी "सहयोगियों" (क्लाथ्रेट्स) की नियमित मात्रात्मक संरचनाओं का एक पदानुक्रम है, जो क्रिस्टल जैसे "पानी की मात्रा" पर आधारित हैं, जिसमें 57 अणु शामिल हैं, जो मुक्त हाइड्रोजन बांड के कारण एक-दूसरे के साथ बातचीत करते हैं। इस मामले में, 57 पानी के अणु (क्वांटा) एक संरचना बनाते हैं जो टेट्राहेड्रोन से मिलता-जुलता है। टेट्राहेड्रोन, बदले में, 4 डोडेकेहेड्रोन (नियमित 12-हेद्रोन) होते हैं। 16 क्वांटा 912 पानी के अणुओं से मिलकर एक संरचनात्मक तत्व बनाता है। पानी ऐसे तत्वों से बना 80% है, 15% क्वांटा-टेट्राहेड्रोन हैं और 3% शास्त्रीय एच 2 ओ अणु हैं। इस प्रकार, पानी की संरचना तथाकथित प्लैटोनिक ठोस (टेट्राहेड्रॉन, डोडेकेहेड्रॉन) से जुड़ी होती है, जिसका आकार सुनहरे अनुपात से जुड़ा होता है। ऑक्सीजन नाभिक में एक प्लैटोनिक ठोस (टेट्राहेड्रॉन) का रूप भी होता है।

पानी की इकाई कोशिका टेट्राहेड्रा होती है जिसमें हाइड्रोजन बॉन्ड द्वारा जुड़े चार (सरल टेट्राहेड्रॉन) या पांच एच 2 ओ अणु (बॉडी-सेंटेड टेट्राहेड्रॉन) होते हैं।

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चित्र: Dodecahedron

इस प्रकार, कई क्लस्टर पानी में दिखाई देते हैं, जो एक बहुत बड़ी ऊर्जा और अत्यधिक उच्च घनत्व की जानकारी ले जाते हैं। पानी की ऐसी संरचनाओं की क्रमिक संख्या स्फटिकों की क्रमिक संख्या (उच्चतम क्रम वाली संरचना जो हम केवल जानते हैं) के रूप में अधिक है, इसलिए उन्हें "तरल क्रिस्टल" या "क्रिस्टलीय पानी" भी कहा जाता है। "पानी क्वांटा" अपने चेहरे के साथ "क्वांटम" के शीर्ष से बाहर निकलने वाले मुक्त हाइड्रोजन बांड के कारण एक दूसरे के साथ बातचीत कर सकते हैं। इस मामले में, दो प्रकार के द्वितीय-क्रम संरचनाओं का गठन संभव है। एक-दूसरे के साथ उनकी बातचीत उच्च-क्रम संरचनाओं की उपस्थिति की ओर ले जाती है। उत्तरार्द्ध में 912 पानी के अणु शामिल हैं, जो ज़ेनिन के मॉडल के अनुसार, हाइड्रोजन बांड के गठन के कारण व्यावहारिक रूप से बातचीत करने में असमर्थ हैं। यह बताता है, उदाहरण के लिए, एक तरल की उच्च तरलता जिसमें विशाल पॉलिमर होते हैं। इस प्रकार, जलीय माध्यम है, जैसा कि यह था, एक पदानुक्रमित तरल क्रिस्टल का आयोजन किया।

चित्र: एक अलग जल समूह का गठन (कंप्यूटर सिमुलेशन)

ज़ेनिन की परिकल्पना, जल सूचना प्रणाली की एक उच्च संवेदनशीलता के अनुसार, इस क्रिस्टल में एक संरचनात्मक तत्व की स्थिति में किसी बाहरी कारक के प्रभाव में बदलाव या आस-पास के तत्वों के उन्मुखीकरण में परिवर्तन, के तहत जोड़ा गया है। यदि संरचनात्मक तत्वों की गड़बड़ी की डिग्री किसी दिए गए वॉल्यूम में पानी की पूरी संरचना को पुनर्गठन करने के लिए अपर्याप्त है, तो गड़बड़ी को हटाने के बाद, सिस्टम 30-40 मिनट में अपनी मूल स्थिति में लौटता है। यदि रीकोडिंग, अर्थात, पानी के संरचनात्मक तत्वों की एक अलग पारस्परिक व्यवस्था के लिए संक्रमण ऊर्जावान रूप से अनुकूल हो जाता है, तो नया राज्य पदार्थ की कोडिंग कार्रवाई को दर्शाता है जो इस पुनर्व्यवस्था का कारण बना [ज़िनिन, 1994]। यह मॉडल ज़ेनिन को "पानी की स्मृति" और इसके सूचनात्मक गुणों की व्याख्या करने की अनुमति देता है [ज़ेनिन, 1997]।

के। केम।

संदर्भ:

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