Byť v agregovanom stave, ktorý má tendenciu mať pri izbovej teplote plynnú alebo kvapalnú formu. Vlastnosti ľadu sa začali skúmať pred stovkami rokov. Asi pred dvesto rokmi vedci zistili, že voda nie je jednoduchá zlúčenina, ale zložitý chemický prvok pozostávajúci z kyslíka a vodíka. Po objavení sa vzorec vody začal podobať H2O.

Ľadová štruktúra

H 2 O pozostáva z dvoch atómov vodíka a jedného atómu kyslíka. V kľudovom stave sa vodík nachádza na vrcholoch atómu kyslíka. Ióny kyslíka a vodíka by mali zaberať vrcholy rovnoramenného trojuholníka: kyslík sa nachádza na vrchole pravého uhla. Táto štruktúra vody sa nazýva dipól.

Ľad tvorí 11,2 % vodíka a zvyšok tvorí kyslík. Vlastnosti ľadu závisia od jeho chemickej štruktúry. Niekedy obsahuje plynné alebo mechanické formácie - nečistoty.

Ľad sa v prírode vyskytuje vo forme niekoľkých kryštalických druhov, ktoré si stabilne zachovávajú svoju štruktúru pri teplotách od nuly a nižšie, no pri nule a vyššie sa začína topiť.

Kryštalická štruktúra

Vlastnosti ľadu, snehu a pary sú úplne odlišné a závisia od.V pevnom skupenstve je H 2 O obklopená štyrmi molekulami umiestnenými v rohoch štvorstenu. Keďže koordinačné číslo je nízke, ľad môže mať prelamovanú štruktúru. To sa odráža vo vlastnostiach ľadu a jeho hustote.

Ľadové tvary

Ľad je jednou z najbežnejších látok v prírode. Na Zemi existujú tieto odrody:

• rieka;
• jazero;
• námorné;
• firn;
• ľadovcový;
• zem.

Existuje ľad, ktorý priamo vzniká sublimáciou, t.j. z parného stavu. Táto forma nadobúda skeletovitý tvar (nazývame ich snehové vločky) a agregáty dendritického a kostrového rastu (námraza, námraza).

Jednou z najbežnejších foriem sú stalaktity, teda cencúle. Rastú po celom svete: na povrchu Zeme, v jaskyniach. Tento typ ľadu vzniká kvapkaním kvapiek vody pri teplotnom rozdiele asi nula stupňov v období jeseň-jar.

Útvary vo forme ľadových pruhov, ktoré sa objavujú na okrajoch vodných plôch, na hranici vody a vzduchu, ako aj na okraji mlák, sa nazývajú ľadové banky.

V pórovitých pôdach sa môže tvoriť ľad vo forme vláknitých žíl.

Vlastnosti ľadu

Látka môže byť v rôznych stavoch. Na základe toho vzniká otázka: aká vlastnosť ľadu sa prejavuje v tom či onom stave?

Vedci rozlišujú fyzikálne a mechanické vlastnosti. Každý z nich má svoje vlastné charakteristiky.

Fyzikálne vlastnosti

Medzi fyzikálne vlastnosti ľadu patria:

1. Hustota. Vo fyzike je nehomogénne médium reprezentované hranicou pomeru hmotnosti látky samotného média k objemu, v ktorom je uzavreté. Hustota vody, podobne ako hustota iných látok, je funkciou teploty a tlaku. Zvyčajne sa pri výpočtoch používa konštantná hustota vody rovnajúca sa 1 000 kg / m 3 . Presnejší indikátor hustoty sa berie do úvahy iba vtedy, keď je potrebné veľmi presne vykonať výpočty kvôli dôležitosti výsledku rozdielu hustoty.
   Pri výpočte hustoty ľadu sa berie do úvahy, aký druh vody sa stal ľadom: ako viete, hustota slanej vody je vyššia ako hustota destilovanej vody.
2. Teplota vody. Zvyčajne sa vyskytuje pri teplote nula stupňov. Procesy mrazenia sa vyskytujú v skokoch s uvoľňovaním tepla. Spätný proces (topenie) nastáva, keď sa absorbuje rovnaké množstvo tepla, ktoré sa uvoľnilo, ale bez skokov, ale postupne.
   V prírode existujú podmienky, pri ktorých dochádza k podchladeniu vody, ktorá však nezamŕza. Niektoré rieky udržujú svoju vodu v tekutom stave aj pri teplote -2 stupne.
3. množstvo tepla, ktoré sa absorbuje pri zahrievaní tela pre každý stupeň. Existuje špecifická tepelná kapacita, ktorá je charakterizovaná množstvom tepla potrebného na zohriatie kilogramu destilovanej vody o jeden stupeň.
4. Stlačiteľnosť. Ďalšou fyzikálnou vlastnosťou snehu a ľadu je stlačiteľnosť, ktorá ovplyvňuje zmenšovanie objemu pod vplyvom zvýšeného vonkajšieho tlaku. Recipročné sa nazýva elasticita.
5. Sila ľadu.
6. Ľadová farba. Táto vlastnosť závisí od absorpcie svetla a rozptylu lúčov, ako aj od množstva nečistôt v zamrznutej vode. Riečny a jazerný ľad bez cudzích nečistôt je viditeľný v bledomodrom svetle. Morský ľad môže byť úplne iný: modrý, zelený, modrý, biely, hnedý a môže mať oceľový odtieň. Niekedy je možné vidieť čierny ľad. Túto farbu získava vďaka veľkému množstvu minerálov a rôznych organických nečistôt.

Mechanické vlastnosti ľadu

Mechanické vlastnosti ľadu a vody sú určené odolnosťou voči vonkajšiemu prostrediu vo vzťahu k jednotkovej ploche. Mechanické vlastnosti závisia od štruktúry, slanosti, teploty a pórovitosti.

Ľad je elastická, viskózna, plastická formácia, ale existujú podmienky, za ktorých sa stáva tvrdým a veľmi krehkým.

Morský ľad a sladkovodný ľad sú odlišné: prvý je oveľa plastickejší a menej odolný.

Pri prechádzaní lodí treba brať do úvahy mechanické vlastnosti ľadu. Je to dôležité aj pri používaní zľadovatených ciest, trajektov a pod.

Voda, sneh a ľad majú podobné vlastnosti, ktoré určujú vlastnosti látky. Zároveň však tieto hodnoty ovplyvňuje mnoho ďalších faktorov: teplota okolia, nečistoty v pevnej látke, ako aj počiatočné zloženie kvapaliny. Ľad je jednou z najzaujímavejších látok na Zemi.

Snehové vločky sú jedným z najkrajších, najkomplexnejších a absolútne jedinečných výtvorov prírody. Ako vznikajú, z čoho sú vyrobené?

Sneh je pevná zrážka vo forme kryštálov (snehových vločiek). Existuje výnimočne široká škála tvarov snehových vločiek. Najjednoduchšie z nich sú: ihly, stĺpiky a taniere. Okrem toho existujú početné komplikované formy snehových vločiek: ihličkové hviezdy; tanierové hviezdy; ježkovia pozostávajúci z niekoľkých stĺpcov; stĺpiky s tanierikmi a hviezdičkami na koncoch. Niektoré tvary stĺpov majú vnútorné dutiny alebo pohárovité tvary; Stretávame sa aj s 12-lúčovými hviezdami. Veľkosti jednotlivých snehových vločiek môžu byť veľmi odlišné. Ihličkové hviezdy majú zvyčajne najväčšie lineárne rozmery (ich polomer dosahuje 4-5 mm). Snehové vločky sa často spájajú a vypadávajú vo forme vločiek. Veľkosť vločiek môže byť veľmi veľká, boli pozorované vločky s polomerom až 15-20 cm.Tvar snehových vločiek odráža vnútorné usporiadanie molekúl vody, keď sú v pevnom stave - vo forme ľadu alebo sneh. Snehové vločky rastú rovnakým spôsobom, ako rastú kryštály akejkoľvek látky, ktorá prechádza z kvapalného do pevného skupenstva: navzájom sa spájajúce molekuly vody majú tendenciu maximalizovať sily vzájomnej príťažlivosti a minimalizovať odpudivé sily, pretože energia systému klesá počas kryštalizácia. V priebehu niekoľkých minút, padnúc na teplý povrch, snehová vločka stratí svoju dekoratívnu štruktúru, svoj jedinečný obraz, ktorý sa už nikdy nebude opakovať.

Z čoho sa skladá sneh? Z ľadu vznikajú snehové vločky aj snehové kryštály. Snehový kryštál je, ako už názov napovedá, jeden ľadový kryštál. Snehová vločka je všeobecnejší pojem; môže to znamenať jednotlivý snehový kryštál, viacero snehových kryštálov, ktoré sa zlepia, alebo veľké zhluky snehových kryštálov, ktoré tvoria sneh padajúci z oblakov. Štruktúra ľadových kryštálov. Molekuly vody v kryštáliku ľadu tvoria šesťhrannú mriežku (pozri obrázok). Červené gule sú atómy kyslíka. Sivé tyčinky sú atómy vodíka. Dva vodíky na jeden kyslík - H2O. Šesťnásobná symetria snehových vločiek pochádza z kryštálovej mriežky ľadu. Snehové vločky rastú z vodnej pary. Snehové vločky nie sú zamrznuté kvapky dažďa. Niekedy kvapky dažďa pri páde zamrznú, ale tomu sa hovorí krupobitie. Krúpy nemajú žiadne prepracované a symetrické vzory, ktoré sa nachádzajú v snehových kryštáloch. Snehové kryštály vznikajú, keď vodná para kondenzuje priamo na ľad, čo sa deje v oblakoch. Snehové vločky sú spôsobené rastom kryštálov. Najzákladnejšou formou kryštalického snehu je šesťhranný hranol zobrazený vyššie. Táto štruktúra vzniká, pretože určité kryštálové povrchy, fazetové povrchy, akumulujú materiál veľmi pomaly. Je to spôsobené tým, že povrch, na ktorom sú vytvorené rohy, je energeticky nerovnovážnejší ako povrch, ktorý tvorí rovinu, pretože rohy s väčšou pravdepodobnosťou vytvoria medzi sebou väzbu molekúl. To možno ľahko demonštrovať pomocou štvoruholníkového kryštálu, najjednoduchšej formy. Je to rovnaký príbeh so šesťhrannými hranolmi. Fotografia zobrazuje šesťuholníkové snehové vločky, ktoré na južnom póle zozbieral Walter Tape. Tieto snehové vločky dosť narástli, keďže veľmi dlho mrzli, čo umožnilo naplno sa prejaviť pravidlo tvorby ľadových kryštálikov. Šesťhranný hranol obsahuje dva šesťuholníkové "vzťažné" povrchy a šesť pravouhlých "prizmatických" povrchov, ako je znázornené. Všimnite si, že šesťhranný hranol môže byť doskový alebo stĺpcový, v závislosti od rýchlosti rastu povrchov. Keď sú snehové kryštály veľmi malé, existujú väčšinou vo forme jednoduchých šesťhranných hranolov. Ale ako rastú, z rohov hranolov vyrastajú „konáriky“, ktoré vytvárajú zložitejšie tvary.

Pôvod zložitých tvarov snehových vločiek. Odpoveď na túto otázku spočíva v tom, ako sa molekuly vody pohybujú vzduchom a kondenzujú na rastúcom snehovom kryštáli. Molekuly sa pohybujú vzduchom, aby dosiahli kryštál a táto difúzia spomaľuje ich rast. Vzdialenejšie molekuly vody musia cestovať vo vzduchu dlhšie, aby dosiahli rastúci kryštál. Zvážte teda rovnú ľadovú plochu, ktorá rastie vo vzduchu. Ak dôjde k malej zrážke a zostane na povrchu, potom stopa z nej vyčnieva o niečo ďalej ako zvyšok kryštálu. To znamená, že iné molekuly vody môžu dosiahnuť toto miesto rýchlejšie ako zvyšok kryštálu, pretože sa k nemu musia pohybovať ďalej.

Keď sa počet molekúl vody, ktoré sa dostanú do miesta zrážky, zvyšuje, miesto zrážky rastie rýchlejšie. Po krátkom čase sa kolízie vyskytujú častejšie a rast nastáva ešte rýchlejšie. Potom nastáva to, čo sa nazýva nestabilita vetvenia - na veľkých vetvách vznikajú nové malé kolízie a stávajú sa miestom tvorby bočných vetiev. Takto sa rodí komplexnosť. Táto nestabilita je hlavným dôvodom zložitých tvarov snehových kryštálov.

Keď sa nestabilita vetvenia aplikuje na snehový kryštál znova a znova, výsledkom je to, čo sa nazýva ľadový dendrit. Slovo „dendrit“ znamená „stromový“ a bežné sú hviezdicovité snehové kryštály podobné stromom. Rýchlosť difúzie molekúl vody je možné meniť v laboratóriu. Ak snehové kryštály rastú vo vzduchu pod atmosférickým tlakom, sú menej rozvetvené. Je to preto, že difúzia neobmedzuje rast pri nízkych tlakoch, a preto nestabilita vetvenia nie je taká intenzívna. Pri vyšších tlakoch sa tvorí viac rozvetvených snehových kryštálov. Rast snehových kryštálov závisí od rovnováhy medzi fazetami a vetvením. Tváre majú tendenciu vytvárať jednoduché ploché povrchy a konáre majú tendenciu vytvárať zložitejšie štruktúry. Interakcia medzi okrajmi a vetvením je jemná a vysoko závislá od parametrov, ako je teplota a vlhkosť. To znamená, že snehové kryštály môžu rásť mnohými rôznymi spôsobmi, čo vedie k veľkej rozmanitosti, ktorú možno vidieť v tvaroch snehových vločiek.

Slávny astronóm Johannes Kepler ako prvý študoval snehové vločky. V roku 1611 vydal pojednanie „O šesťhranných snehových vločkách“, v ktorom analyzoval najmä geometrické aspekty ich štruktúry. Ďalší prelom si musel počkať viac ako dve storočia. Na svoje 15. narodeniny dala moja matka svojmu synovi, mladému farmárovi z Vermontu, Wilsonovi Alvinovi Bentleymu, mikroskop. A rozhodol sa pozrieť na snehové vločky v ňom. 15. januára 1885 urobil prvú fotografiu snehovej vločky tak, že pripojil fotoaparát k mikroskopu a odfotografoval ju na pozadí čierneho papiera. Do konca života dostal zábery 5381 snehových vločiek. V roku 1920 dostane miesto v Národnej meteorologickej službe a grant 25 dolárov na svoj výskum a sneh začne padať nielen na farmách, ale aj v laboratóriách kinetiky a kryštalografov. Bol to však Bentley, ktorý ako prvý povedal, že nikdy nevidel dve rovnaké snehové vločky.Je rozšírený názor, že v prírode neexistujú dve rovnaké snehové vločky. Zdalo by sa, ako. Z neba sa sypú milióny. Ale na druhej strane, ak to zhruba odhadneme, tak v snehovej vločke je asi 1020 molekúl vody a ľudské oko je schopné určiť asi 100 vizuálnych parametrov snehovej vločky. Takže takáto mozaika môže byť vytvorená konečným, ale šialene obrovským množstvom spôsobov. A ak si pamätáte, že atómy kyslíka a vodíka majú rôzne izotopy, ale vo vode sú stále nečistoty ... vo všeobecnosti sa oplatí akceptovať, že v prírode neexistujú dve rovnaké snehové vločky. Ale kryštály majú symetrický tvar. Makroskopické faktory (teplota, tlak, koncentrácie rôznych látok) sa na tak malom priestore, akým je aktuálna poloha jadra kryštálu v danom okamihu, veľmi nelíšia a rast vo všetkých smeroch je rovnaký. Až kým nevznikne bummer alebo naopak lepenie.

Čistá voda je bezfarebná priehľadná kvapalina. Hustota vody pri jej prechode z pevného skupenstva do kvapalného neklesá, ako takmer u všetkých ostatných látok, ale rastie. Keď sa voda zohreje z 0 na 4 °C, zvýši sa aj jej hustota. Pri 4 ° C má voda maximálnu hustotu a až ďalším zahrievaním sa jej hustota znižuje.

Ak sa pri poklese teploty a pri prechode z kvapalného skupenstva do tuhého zmenila hustota vody tak, ako sa to deje u drvivej väčšiny látok, tak s blížiacou sa zimou sa povrchové vrstvy prírodných vody ochladené. by klesol na 0 °C a klesol ku dnu, čím by sa uvoľnil priestor pre teplejšie vrstvy, a to by pokračovalo, kým by celá hmota nádrže nezískala teplotu 0 °C. Ďalej by voda začala zamŕzať, vzniknuté ľadové kryhy by klesali na dno a nádrž by premrzla do celej hĺbky. Mnohé formy života vo vode by však boli nemožné. Ale keďže voda dosahuje svoju najvyššiu hustotu pri 4 °C, pohyb jej vrstiev spôsobený ochladzovaním sa po dosiahnutí tejto teploty končí. Pri ďalšom poklese teploty ochladená vrstva, ktorá má nižšiu hustotu, zostáva na povrchu, zamŕza a tým chráni podložné vrstvy pred ďalším ochladzovaním a mrazom.

Veľký význam v živote prírody má fakt, že voda. má abnormálne vysokú tepelnú kapacitu, preto v noci, ako aj pri prechode z leta na zimu sa voda pomaly ochladzuje a cez deň alebo pri prechode zo zimy do leta sa pomaly aj ohrieva, čím je regulátor teploty na zemeguli.

Vzhľadom na to, že pri topení ľadu sa objem vody zmenšuje, tlak znižuje teplotu topenia ľadu. Vyplýva to z Le Chatelierovej zásady. Naozaj, nechajme to tak. ľad a tekutá voda sú v rovnováhe pri 0 °C. So zvyšujúcim sa tlakom sa rovnováha podľa Le Chatelierovho princípu posúva smerom k vytvoreniu fázy, ktorá pri rovnakej teplote zaberá menší objem. Táto fáza je v tomto prípade kvapalná. Zvýšenie tlaku pri О ° С teda spôsobuje premenu ľadu na kvapalinu, čo znamená, že teplota topenia ľadu klesá.

Molekula vody má hranatú štruktúru; jadrá zahrnuté v jeho zložení tvoria rovnoramenný trojuholník, na ktorého základni sú dva protóny a na vrchole je jadro atómu kyslíka. Medzijadrové vzdialenosti OH sú blízke 0,1 nm, vzdialenosť medzi jadrami atómov vodíka je asi 0,15 nm. Z ôsmich elektrónov, ktoré tvoria vonkajšiu elektrónovú vrstvu atómu kyslíka v molekule vody, tvoria dva elektrónové páry kovalentné O-H väzby a zvyšné štyri elektróny sú dva osamelé elektrónové páry.

Atóm kyslíka v molekule vody je v stave -aea?Eaecaoee. Preto je väzbový uhol НОН (104,3 °) blízky štvorstenu (109,5 °). Elektróny tvoriace väzby O – H sú posunuté smerom k elektronegatívnejšiemu atómu kyslíka. V dôsledku toho atómy vodíka získavajú efektívne kladné náboje, takže na týchto atómoch vznikajú dva kladné póly. Centrá záporných nábojov osamelých elektrónových párov atómu kyslíka nachádzajúcich sa v hybridných orbitáloch sú posunuté vzhľadom na atómové jadro a vytvárajú dva záporné póly.

Molekulová hmotnosť vodnej pary je 18 a zodpovedá jej najjednoduchšiemu vzorcu. Molekulová hmotnosť kvapalnej vody, určená štúdiom jej roztokov v iných rozpúšťadlách, sa však ukazuje ako vyššia. To naznačuje, že v kvapalnej vode dochádza k asociácii molekúl, to znamená k ich spojeniu do zložitejších agregátov. Tento záver potvrdzujú aj abnormálne vysoké hodnoty bodov topenia a varu vody. Spojenie molekúl vody je spôsobené tvorbou vodíkových väzieb medzi nimi.

V pevnej vode (ľad) sa atóm kyslíka každej molekuly podieľa na tvorbe dvoch vodíkových väzieb so susednými molekulami vody podľa schémy, v ktorej sú vodíkové väzby znázornené bodkovanou čiarou. Schéma objemovej štruktúry ľadu je znázornená na obrázku. Vznik vodíkových väzieb vedie k takému usporiadaniu molekúl vody, v ktorom sa navzájom dotýkajú svojimi opačnými pólmi. Molekuly tvoria vrstvy, z ktorých každá je spojená s tromi molekulami patriacimi do rovnakej vrstvy a jednou zo susednej vrstvy. Štruktúra ľadu patrí k najmenej hustým štruktúram, sú v nej dutiny, veľkosti najmenej hustých štruktúr, sú v nej dutiny, ktorých rozmery sú o niečo väčšie ako veľkosť molekuly.

Keď sa ľad topí, jeho štruktúra je zničená. Ale aj v tekutej vode sú vodíkové väzby medzi molekulami zachované: vytvárajú sa asociáty - ako fragmenty štruktúry ľadu - pozostávajúce z väčšieho alebo menšieho počtu molekúl vody. Na rozdiel od ľadu však každý pridružený objekt existuje veľmi krátky čas: neustále dochádza k deštrukcii niektorých agregátov a tvorbe iných agregátov. Jednotlivé molekuly vody môžu byť umiestnené v dutinách takýchto "ľadových" agregátov; v tomto prípade sa balenie molekúl vody stáva hustejším. Preto, keď sa ľad topí, objem vody sa zmenšuje a jej hustota sa zvyšuje.

Ako sa voda ohrieva, úlomky ľadovej štruktúry v nej sú stále menej a menej, čo vedie k ďalšiemu zvýšeniu hustoty vody. V rozsahu teplôt od 0 do 4 °C tento efekt prevláda nad tepelnou rozťažnosťou, takže hustota vody stále rastie. Pri zahriatí nad 4 °C však prevláda efekt zvýšeného tepelného pohybu molekúl a hustota vody klesá. Preto pri 4 ° C má voda maximálnu hustotu.

Pri ohrievaní vody sa časť tepla minie na rozbitie vodíkových väzieb (energia rozbitia vodíkovej väzby vo vode je asi 25 kJ/mol). To vysvetľuje vysokú tepelnú kapacitu vody.

Voda v našom živote je najrozšírenejšia a najbežnejšia látka. Ľudské telo tvorí 70 % vody a prírodné prostredie okolo nás tiež obsahuje 70 % vody.

Zo školských učebníc vieme, že molekula vody sa skladá z atómu kyslíka a dvoch atómov vodíka, t.j. jedna z najmenších a najľahších molekúl. Napriek všetkej obyčajnosti a samozrejmosti tých vlastností vody, ktoré neustále využívame, existujú paradoxy tekutej vody, ktoré určujú aj formy života na Zemi.

Tekutá voda má väčšiu hustotu ako ľad. Preto sa pri mrazení zväčšuje objem ľadu, ľad pláva na hladine vody.

Hustota vody je maximálna pri 4 ° C, a nie pri teplote topenia, klesá vpravo aj vľavo od tejto teploty.

Viskozita vody klesá so zvyšujúcim sa tlakom.

Teplota varu vody je nezávislá od všeobecnej závislosti teploty varu od molekulovej hmotnosti látok (obrázok 1.1). V opačnom prípade by nemala byť vyššia ako 60 o C.

Tepelná kapacita vody je najmenej dvakrát vyššia ako tepelná kapacita akejkoľvek inej kvapaliny.

Výparné teplo (~ 2250 kJ / kg) je najmenej trikrát vyššie ako u akejkoľvek inej kvapaliny, 8-krát vyššie ako u etanolu.

Zvážte túto poslednú vlastnosť vody. Výparné teplo je energia potrebná na prerušenie väzieb medzi molekulami počas ich prechodu z kondenzovanej fázy do plynnej fázy. To znamená, že príčina všetkých paradoxných vlastností je v povahe medzimolekulových väzieb vody a tá je zase určená štruktúrou molekuly vody.

Obrázok 1.1. Rozsah pomerov molekulovej hmotnosti rôznych zlúčenín a ich bodov varu.

1. Čo je to - molekula vody?

V roku 1780. Lavoisier experimentálne zistil, že voda pozostáva z kyslíka a vodíka, že dva objemy vodíka interagujú s jedným objemom kyslíka a že hmotnostný pomer vodíka a kyslíka vo vode je 2:16. V roku 1840 sa ukázalo, že molekulový vzorec vody H20.

Tri jadrá v molekule tvoria rovnoramenný trojuholník s dvoma protónmi na báze (obrázok 1.2). Elektronický vzorec molekuly vody je [(1S 2)] [(1S 2) (2S 2) (2P 4)].

Obrázok 1.2.Vytvorenie systému viazania mo. z 2p-orbitálov atómu kyslíka a 1s-orbitály atómu kyslíka a 1s-orbitály atómov vodíka.

V dôsledku účasti dvoch elektrónov vodíka 1s v spojení s dvoma elektrónmi 2p kyslíka dochádza k sphybridizácii a vytvárajú sa hybridné orbitály sp 3 s charakteristickým uhlom medzi nimi 104,5 °, ako aj dva póly opačných nábojov. Dĺžka väzby O - H je 0,95 Á (0,095 nm), vzdialenosť medzi protónmi je 1,54 Á (0,154 nm). Obrázok 1.3 ukazuje elektronický model molekuly vody.

Obrázok 1.3. Elektronický model molekuly H 2 O.

Osem elektrónov rotuje v pároch v štyroch orbitáloch umiestnených v troch rovinách (uhly 90 O ), ktoré zapadajú do kocky. 1, 2 - osamelé páry elektrónov.

Najdôležitejší dôsledok tejto úvahy: asymetria distribúcie náboja mení molekulu H2O na dipól: protóny sú umiestnené na dvoch kladných koncoch a osamelé páry kyslíkových p-elektrónov sú umiestnené na dvoch záporných koncoch.

Molekula vody sa teda môže považovať za trojuholníkovú pyramídu - štvorsten, v rohoch ktorého sú štyri náboje - dva kladné a dva záporné.

Tieto náboje tvoria ich najbližšie prostredie, rozkladajú susedné molekuly vody presne definovaným spôsobom - takže medzi dvoma atómami kyslíka je vždy len jeden atóm vodíka. Najjednoduchší spôsob, ako si predstaviť a študovať takúto medzimolekulovú štruktúru, je na vode v pevnom stave. Obrázok 1.4 znázorňuje štruktúru ľadu.

Ryža. 1.4. Šesťhranná štruktúra ľadu

Štruktúra je držaná pohromade väzbami O-H…O. Takáto kombinácia dvoch atómov kyslíka susedných molekúl vody prostredníctvom jedného atómu vodíka sa nazýva vodíková väzba.

Vodíková väzba vzniká z nasledujúcich dôvodov:

1 - protón má len jeden elektrón, takže odpudzovanie elektrónov dvoch atómov je minimálne. Protón sa jednoducho ponorí do elektrónového obalu susedného atómu, čím sa vzdialenosť medzi atómami zníži o 20 – 30 % (až 1 Á);

2 - susedný atóm musí mať veľkú hodnotu elektronegativity. V konvenčných podmienkach (podľa Paulinga) elektronegativita F - 4,0; 0 - 3,5, N - 3,0, Cl - 3,0, C - 2,5, S - 2,5.

Molekula vody môže mať štyri vodíkové väzby, v dvoch pôsobí ako donor elektrónov, v dvoch - ako akceptor elektrónov. A tieto väzby môžu vzniknúť tak so susednými molekulami vody, ako aj s inými látkami.

Takže dipólový moment, uhol H-O-H a vodíková väzba O-H ... O určujú jedinečné vlastnosti vody a zohrávajú hlavnú úlohu pri formovaní sveta okolo nás.

K. Chem.

MODERNÝ VODNÝ MODEL

Ak si urobíme krátku exkurziu do školského kurzu chémie, pripomenieme si, že dva elektrónové páry tvoria polárne kovalentné väzby medzi atómami vodíka a kyslíka a zvyšné dva elektrónové páry zostávajú voľné a sú tzv. nezdieľané... Molekula vody má uhlovú štruktúru, uhol H – O – H je 104,5 stupňa.

Ryža. Molekula vody

Keďže atóm kyslíka má viac elektrónov (chemici tvrdia, že atóm kyslíka je elektronegatívny) ako atóm vodíka, elektróny dvoch atómov vodíka sú posunuté smerom k elektronegatívnejšiemu atómu kyslíka, čo spôsobuje, že dva kladné náboje atómov vodíka sú kompenzovaný rovnakou veľkosťou dvoch atómov.vodík je záporný náboj atómu kyslíka. Preto má elektrónový oblak nerovnomernú hustotu. V blízkosti jadier vodíka je nedostatočná hustota elektrónov a na opačnej strane molekuly, v blízkosti jadra kyslíka, je pozorovaná nadmerná hustota elektrónov. To vedie k tomu, že molekula vody je malý dipól obsahujúci kladné a záporné náboje na póloch. Práve táto štruktúra určuje polaritu molekuly vody. Ak spojíme epicentrá kladných a záporných nábojov rovnými čiarami, dostaneme trojrozmerný geometrický útvar – pravidelný štvorsten. Ale taký štvorsten je len úplne prvou základnou úrovňou štruktúry vody.

Ryža. Štruktúra molekuly vody: a) uhlová; b) lopta; c) štvorstenný

Druhá úroveň chemickej organizácie vody je určená schopnosťou vodných štvorstenov vytvárať špeciálne väzby, nazývané vodíkové väzby, ktoré spájajú jednotlivé molekuly navzájom do asociátov.

Vodíková väzba má globálny význam v chémii medzimolekulových interakcií a je spôsobená najmä slabými elektrostatickými silami a vplyvmi. Vyskytuje sa, keď atóm vodíka ochudobneného o elektróny jednej molekuly vody interaguje s osamelým elektrónovým párom atómu kyslíka susednej molekuly vody.

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

Ryža. Každá molekula vody je schopná tvoriť vodíkové väzby so štyrmi susednými molekulami

V kryštálovej štruktúre ľadu sa každá molekula podieľa na 4 vodíkových väzbách smerujúcich k vrcholom štvorstenu. V strede tohto štvorstenu je atóm kyslíka, v dvoch vrcholoch - atóm vodíka, ktorého elektróny sa podieľajú na tvorbe kovalentnej väzby s kyslíkom. Dva zostávajúce vrcholy sú obsadené pármi kyslíkových valenčných elektrónov, ktoré sa nezúčastňujú na tvorbe intramolekulárnych väzieb.

Ryža ... Vodíkové väzby v kryštálovej mriežke ľadu

Na rozdiel od ľadu sa v tekutej vode vodíkové väzby ľahko zničia a rýchlo obnovia, vďaka čomu je štruktúra vody extrémne premenlivá. Práve vďaka týmto prepojeniam v jednotlivých mikroobjemoch vody nepretržite vznikajú svojrázne asociáty vody - jej štruktúrne prvky. To všetko vedie k heterogenite v štruktúre vody.

Prvú myšlienku, že voda je vo svojej štruktúre heterogénna, vyslovil Whiting v roku 1884. Jeho autorstvo je citované v monografii „Povaha vody. Ťažká voda “, publikovaná v roku 1935. Po nej sa objavilo množstvo diel, v ktorých bola voda považovaná za zmes spoločníkov rôzneho zloženia („hydroly“).

Keď sa v 20. rokoch 20. storočia určovala štruktúra ľadu, ukázalo sa, že molekuly vody v kryštalickom stave tvoria trojrozmernú súvislú sieť, v ktorej má každá molekula štyroch najbližších susedov umiestnených vo vrcholoch pravidelného štvorstenu. V roku 1933 J. Bernal a P. Fowler navrhli, že podobná mriežka existuje v tekutej vode. Keďže voda je hustejšia ako ľad, verili, že molekuly v nej nie sú umiestnené rovnakým spôsobom ako v ľade, teda ako atómy kremíka v minerále. tridymit, ako aj atómy kremíka v hustejšej modifikácii oxidu kremičitého - kremeň. Zvýšenie hustoty vody pri zahriatí z 0 na 4 °C bolo vysvetlené prítomnosťou tridymitovej zložky pri nízkych teplotách. Model Bernal - Fowler si teda zachoval prvok dvoch štruktúr, ale ich hlavným úspechom je myšlienka kontinuálnej štvorstennej siete. Potom sa objavil známy aforizmus I. Langmuira: „Oceán je jedna veľká molekula“.

Až v roku 1951 vytvoril J. Popple model kontinuálnej siete, ktorý nebol taký špecifický ako model Bernal-Fowler. Pople si predstavoval vodu ako náhodnú štvorstennú mriežku, ktorej väzby medzi molekulami sú zakrivené a majú rôzne dĺžky. Poplov model vysvetľuje zhutňovanie vody pri tavení ohýbaním väzieb. Keď sa v 60. a 70. rokoch objavili prvé definície štruktúry ľad II a IX, ukázalo sa, ako môže zakrivenie väzieb viesť k zhrubnutiu štruktúry. Poplov model nedokázal vysvetliť nemonotónnosť závislosti vlastností vody od teploty a tlaku rovnako ako dvojstavový model. Preto myšlienka dvoch štátov bola dlho zdieľaná mnohými vedcami.

Ryža. Model s kontinuálnou sieťou

V druhej polovici 20. storočia sa okrem „ kontinuálne„Modely (Poplov model), vznikli dve skupiny„ zmiešaných “modelov: zhluk a klatrátov e. V prvej skupine sa voda objavila vo forme zhlukov molekúl spojených vodíkovými väzbami, ktoré plávali v mori molekúl, ktoré sa na takýchto väzbách nezúčastňovali. Modely druhej skupiny považovali vodu za súvislú sieť vodíkových väzieb - rámec, ktorý obsahuje dutiny; obsahujú molekuly, ktoré netvoria väzby s molekulami kostry.

Medzi klastrové modely najvýraznejší bol model G. Nemethyho a H. Sheraghiho, obrázky, ktoré navrhli, zobrazujúce zhluky viazaných molekúl, ktoré plávajú v mori neviazaných molekúl, boli zahrnuté v mnohých monografiách.

Ďalším vodným modelom, ktorý v roku 1957 navrhli Frank a Wen, je model trblietavého klastra. Tento model je veľmi blízky moderným predstavám o štruktúre vody. V tomto modeli sa vodíkové väzby vo vode neustále tvoria a lámu a tieto procesy prebiehajú kooperatívne v rámci krátkotrvajúcich skupín molekúl vody, nazývaných „blikajúce zhluky“. Ich životnosť sa odhaduje v rozmedzí od 10-10 do 10-11s. Toto znázornenie hodnoverne vysvetľuje vysoký stupeň mobility kvapalnej vody a jej nízku viskozitu. Predpokladá sa, že tieto vlastnosti robia vodu jedným z najuniverzálnejších rozpúšťadiel.

DIV_ADBLOCK567 ">

V roku 2002 skupina Dr. Head-Gordona pomocou röntgenovej difrakčnej analýzy s použitím supervýkonného röntgenového zdroja Advanced Light Source (ALS) dokázala ukázať, že molekuly vody sú schopné vytvárať štruktúry vďaka vodíkovým väzbám – „skutočné tehly vody, čo sú topologické reťazce a kruhy z mnohých molekúl vody. Pri interpretácii získaných experimentálnych údajov ich výskumníci považujú za skôr dlhoveké štruktúrne prvky. Voda je v podstate súborom neusporiadaných polymérov a hypotetických „kryštálov vody“ (ktoré by mali existovať v roztopenej vode), kde počet molekúl viazaných vodíkovými väzbami môže dosiahnuť stovky alebo dokonca tisíce jednotiek.

„Vodné kryštály“ môžu mať rôzne tvary, priestorové aj dvojrozmerné (vo forme prstencových štruktúr). V srdci všetkého je štvorsten. Toto je tvar molekuly vody. Zoskupené štvorsteny molekúl vody tvoria rôzne priestorové a rovinné štruktúry. A zo všetkej rozmanitosti štruktúr v prírode je základom šesťuholníková (šesťuholníková) štruktúra, v ktorej je šesť molekúl vody (tetraedrónov) spojených do kruhu. Tento typ štruktúry je typický pre ľad, sneh a roztopenú vodu.

Ryža. 1. Kryštalická štruktúra ľadu

Keď sa ľad roztopí, jeho tetragonálna štruktúra sa zničí a vytvorí sa zmes zhlukov pozostávajúca z tri-, tetra-, penta- a hexamérov vody a voľných molekúl vody. Schematicky môže byť tento proces znázornený nasledovne.

Ryža ... Štruktúra tekutej vody. Vo vode sa zhluky pravidelne rozpadajú a znova sa tvoria. Čas skoku je 10-12 sekúnd.

Ukázalo sa, že je dosť ťažké študovať štruktúru týchto formujúcich sa zložiek, pretože voda je zmesou rôznych polymérov, ktoré sú vo vzájomnej rovnováhe. Vzájomnou zrážkou sa polyméry premieňajú jeden na druhý, rozkladajú sa a znova sa tvoria.

Je tiež takmer nemožné rozdeliť túto zmes na samostatné zložky. Až v roku 1993 skupina výskumníkov z Kalifornskej univerzity (Berkeley, USA), vedená Dr. R. J. Saikalli, rozlúštila štruktúru vodného trimra, v roku 1996 - tetraméru a pentaméru a potom vodného hexaméru. V tom čase sa už zistilo, že kvapalná voda pozostáva z polymérnych asociácií (zhlukov) obsahujúcich tri až šesť molekúl vody.

Štruktúra hexaméru sa ukázala byť zložitejšia. Zistilo sa, že najjednoduchšia štruktúra – šesť molekúl vody vo vrcholoch šesťuholníka – nie je taká pevná ako štruktúra bunky. Navyše sa ukázalo, že konštrukcie hranola, otvorenej knihy alebo člna sú menej stabilné. V šesťuholníku môže byť iba šesť vodíkových väzieb a experimentálne údaje naznačujú prítomnosť ôsmich. To znamená, že štyri molekuly vody sú zosieťované vodíkovými väzbami.

Boli nájdené štruktúry vodných klastrov a teoreticky vám to dnešná výpočtová technika umožňuje. V roku 1999 uskutočnil Stanislav Zenin spolu s B. Polanuerom (dnes v USA) výskum vody v Štátnom výskumnom ústave genetiky, ktorý priniesol veľmi zaujímavé výsledky. Pomocou moderných metód analýzy - refraktometrie, protónovej rezonancie a kvapalinovej chromatografie dokázali detekovať asociáty molekúl vody - zhluky.

RI s Možné zhluky vody

Vzájomnou kombináciou môžu klastre vytvárať zložitejšie štruktúry:

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

Ryža. Vytvorenie zhluku 20 molekúl vody.

Analýzou získaných údajov navrhol, že voda je hierarchia pravidelných objemových štruktúr „asociátov“ (klatrátov), ​​ktoré sú založené na kryštálovom „kvante vody“ pozostávajúcom z 57 jej molekúl, ktoré navzájom interagujú. v dôsledku voľných vodíkových väzieb. V tomto prípade tvorí 57 molekúl vody (kvantá) štruktúru pripomínajúcu štvorsten. Štvorsten zase pozostáva zo 4 dvanásťstenov (bežných 12-stenov). 16 kvánt tvorí štruktúrnu jednotku pozostávajúcu z 912 molekúl vody. Voda je z 80 % zložená z takýchto prvkov, 15 % sú kvantové štvorsteny a 3 % sú klasické molekuly H2O. Štruktúra vody je teda spojená s takzvanými platónskymi telesami (štvorsten, dvanásťsten), ktorých tvar je spojený so zlatým rezom. Kyslíkové jadro má tiež formu platónskej pevnej látky (štvorsten).

Základnou bunkou vody sú štvorsteny obsahujúce štyri (jednoduchý štvorsten) alebo päť molekúl H2O (telostredný štvorsten) spojených vodíkovými väzbami.

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

Ryža. Dodekaedrón

Vo vode tak vznikajú početné zhluky, ktoré nesú veľmi veľkú energiu a informácie extrémne vysokej hustoty. Radový počet takýchto štruktúr vody je taký vysoký ako radový počet kryštálov (štruktúra s najvyšším usporiadaním, ktorú len poznáme), preto sa nazývajú aj „tekuté kryštály“ alebo „kryštalická voda“. „Vodné kvantá“ môžu navzájom interagovať vďaka voľným vodíkovým väzbám, ktoré vyčnievajú z vrchov „kvanta“ ich tvárami. V tomto prípade je možná tvorba dvoch typov štruktúr druhého rádu. Ich vzájomná interakcia vedie k vzniku štruktúr vyššieho rádu. Posledne menované pozostávajú z 912 molekúl vody, ktoré podľa Zeninovho modelu prakticky nie sú schopné vzájomnej interakcie v dôsledku tvorby vodíkových väzieb. To vysvetľuje napríklad vysokú tekutosť kvapaliny pozostávajúcej z obrovských polymérov. Vodné médium je teda ako keby hierarchicky usporiadaný tekutý kryštál.

Ryža. Vytvorenie samostatného vodného klastra (počítačová simulácia)

Zmena polohy jedného štruktúrneho prvku v tomto kryštáli pod vplyvom akéhokoľvek vonkajšieho faktora alebo zmena orientácie okolitých prvkov pod vplyvom pridaných látok poskytuje podľa Zeninovej hypotézy vysokú citlivosť vodného informačného systému. . Ak je miera narušenia konštrukčných prvkov nedostatočná na reštrukturalizáciu celej štruktúry vody v danom objeme, tak po odstránení narušenia sa systém vráti do pôvodného stavu za 30-40 minút. Ak sa prekódovanie, teda prechod na iné vzájomné usporiadanie štruktúrnych prvkov vody ukáže ako energeticky priaznivé, potom sa do nového stavu premietne kódovacie pôsobenie látky, ktorá toto preskupenie spôsobila [Zenin, 1994]. Tento model umožňuje Zeninovi vysvetliť „pamäť vody“ a jej informačné vlastnosti [Zenin, 1997].

K. Chem.

Referencie:

... Pokroky vo fyzikálnej chémii, 2001

,. Experimentálny dôkaz prítomnosti vodných frakcií. J. Homeopatická medicína a akupunktúra. 1997. #2, s.42-46.

,. Hydrofóbny model štruktúry asociátov molekúl vody. J. Phys. Chémia, 1994. T. 68. č. 4. S. 636-641.

Skúmanie štruktúry vody metódou protónovej magnetickej rezonancie. Dokl. RAS.1993.T.332.Č.3.P.328-329.

,. Povaha hydrofóbnej interakcie. Vznik orientačných polí vo vodných roztokoch. J. Phys. Chémia, 1994. T. 68. č. 3. S. 500-503.

,. Skúmanie intramolekulárnych interakcií v nukleotidových amidoch pomocou NMR. Materiály 2. celozväzovej konf. Podľa dynamiky. Stereochémia. Odesa, 1975, s.