Biti v agregatnem stanju, ki je pri sobni temperaturi ponavadi v plinasti ali tekoči obliki. Lastnosti ledu so začeli preučevati pred več sto leti. Pred približno dvesto leti so znanstveniki odkrili, da voda ni preprosta spojina, ampak zapleten kemični element, sestavljen iz kisika in vodika. Po odkritju je formula vode začela izgledati kot H 2 O.

Struktura ledu

H 2 O je sestavljen iz dveh atomov vodika in enega atoma kisika. V mirovanju se vodik nahaja na vrhovih atoma kisika. Ioni kisika in vodika naj zasedajo oglišča enakokrakega trikotnika: kisik se nahaja na vrhu pravega kota. Ta struktura vode se imenuje dipol.

Led je 11,2 % vodika, ostalo pa kisik. Lastnosti ledu so odvisne od njegove kemične strukture. Včasih vsebuje plinaste ali mehanske tvorbe - nečistoče.

Led se v naravi pojavlja v obliki nekaj kristalnih vrst, ki stabilno ohranjajo svojo strukturo pri temperaturah od nič in nižje, pri nič in več pa se začne topiti.

Kristalna struktura

Lastnosti ledu, snega in pare so popolnoma različne in odvisne od V trdnem stanju je H 2 O obdan s štirimi molekulami, ki se nahajajo na vogalih tetraedra. Ker je koordinacijska številka nizka, ima led lahko odprto strukturo. To se odraža v lastnostih ledu in njegovi gostoti.

Ledene oblike

Led je ena najpogostejših snovi v naravi. Na Zemlji obstajajo naslednje sorte:

• reka;
• jezero;
• navtični;
• firn;
• ledeniški;
• tla.

Obstaja led, ki nastane neposredno s sublimacijo, t.j. iz parnega stanja. Ta oblika dobi skeletno obliko (imenujemo jih snežinke) in agregate dendritične in skeletne rasti (rime, inje).

Ena najpogostejših oblik so kapniki, torej ledenice. Rastejo po vsem svetu: na površini Zemlje, v jamah. Ta vrsta ledu nastane s kapljanjem vodnih kapljic pri temperaturni razliki okoli nič stopinj v jesensko-pomladnem obdobju.

Formacije v obliki ledenih pasov, ki se pojavijo na robovih vodnih teles, na meji vode in zraka, pa tudi na robu luž, se imenujejo ledene banke.

V poroznih tleh lahko nastane led v obliki vlaknatih žil.

Lastnosti ledu

Snov je lahko v različnih stanjih. Na podlagi tega se postavlja vprašanje: kakšna lastnost ledu se kaže v tem ali onem stanju?

Znanstveniki razlikujejo fizikalne in mehanske lastnosti. Vsak od njih ima svoje značilnosti.

Fizične lastnosti

Fizikalne lastnosti ledu vključujejo:

1. Gostota. V fiziki je nehomogen medij predstavljen z mejo razmerja med maso snovi samega medija in prostornino, v kateri je zaprt. Gostota vode je, tako kot gostota drugih snovi, funkcija temperature in tlaka. Običajno se pri izračunih uporablja konstantna gostota vode, ki je enaka 1000 kg / m 3. Natančnejši kazalnik gostote se upošteva le, če je treba zaradi pomembnosti rezultata razlike v gostoti zelo natančno izvesti izračune.
   Pri izračunu gostote ledu se upošteva, kakšna voda je postala led: kot veste, je gostota slane vode višja od gostote destilirane vode.
2. Temperatura vode. Običajno se pojavi pri temperaturi nič stopinj. Procesi zamrzovanja se pojavljajo v skokih s sproščanjem toplote. Obratni proces (taljenje) nastane, ko se absorbira enaka količina toplote, ki se je sprostila, vendar brez skokov, vendar postopoma.
   V naravi obstajajo pogoji, v katerih pride do prehlajenja vode, vendar ne zmrzne. Nekatere reke ohranjajo vodo tekočo tudi pri temperaturi -2 stopinji.
3. količina toplote, ki se absorbira, ko telo segrejemo za vsako stopinjo. Obstaja specifična toplotna zmogljivost, za katero je značilna količina toplote, potrebna za segrevanje kilograma destilirane vode za eno stopinjo.
4. Stisljivost. Druga fizična lastnost snega in ledu je stisljivost, ki vpliva na zmanjšanje prostornine pod vplivom povečanega zunanjega tlaka. Vzajemna vrednost se imenuje elastičnost.
5. Trdnost ledu.
6. Barva ledu. Ta lastnost je odvisna od absorpcije svetlobe in sipanja žarkov ter količine nečistoč v zamrznjeni vodi. Rečni in jezerski led brez tujih nečistoč je viden v bledo modri svetlobi. Morski led je lahko popolnoma drugačen: moder, zelen, moder, bel, rjav in ima jeklen odtenek. Včasih je mogoče videti črni led. To barvo pridobi zaradi velike količine mineralov in različnih organskih nečistoč.

Mehanske lastnosti ledu

Mehanske lastnosti ledu in vode so določene z odpornostjo na zunanje okolje glede na enoto površine. Mehanske lastnosti so odvisne od strukture, slanosti, temperature in poroznosti.

Led je elastična, viskozna, plastična tvorba, vendar obstajajo pogoji, pod katerimi postane trd in zelo krhek.

Morski led in sladkovodni led sta različna: prvi je veliko bolj plastičen in manj trpežen.

Pri prehodu ladij je treba upoštevati mehanske lastnosti ledu. Pomemben je tudi pri uporabi poledenelih cest, trajektov in drugega.

Voda, sneg in led imajo podobne lastnosti, ki določajo značilnosti snovi. Toda hkrati na te odčitke vplivajo številni drugi dejavniki: temperatura okolja, nečistoče v trdni snovi, pa tudi začetna sestava tekočine. Led je ena najbolj zanimivih snovi na Zemlji.

Snežinke so ena najlepših, kompleksnih in popolnoma edinstvenih stvaritev narave. Kako nastanejo, iz česa so narejene?

Sneg je trdna padavina v obliki kristalov (snežink). Obstaja izjemno širok izbor oblik snežink. Najpreprostejši med njimi so: igle, stebri in plošče. Poleg tega obstajajo številne zapletene oblike snežink: iglice; plošče zvezde; ježi, sestavljeni iz več stolpcev; stebričke s ploščami in zvezdami na koncih. Nekatere oblike stebrov imajo notranje votline ali peharaste oblike; Srečajo se tudi zvezde z 12 žarki. Velikosti posameznih snežink so lahko zelo različne. Iglene zvezde imajo običajno največje linearne dimenzije (njihov polmer doseže 4-5 mm). Snežinke se pogosto združijo in izpadejo v obliki kosmičev. Velikost kosmičev je lahko zelo velika, opaženi so kosmiči s polmerom do 15-20 cm Oblika snežink odraža notranjo urejenost vodnih molekul, ko so v trdnem stanju – v obliki ledu. ali sneg. Snežinke rastejo na enak način kot rastejo kristali katere koli snovi, ki prehaja iz tekočega v trdno stanje: molekule vode se med seboj povezujejo, da povečajo sile medsebojnega privlačnosti in zmanjšajo odbojne sile, saj se energija sistema med kristalizacija. V samo nekaj minutah bo snežinka, ki pade na toplo površino, izgubila svojo dekorativno strukturo, svojo edinstveno podobo, ki se nikoli več ne bo ponovila.

Iz česa je narejen sneg? Tako snežinke kot snežni kristali nastanejo iz ledu. Snežni kristal je, kot že ime pove, en sam ledeni kristal. Snežinka je bolj splošen izraz; lahko pomeni posamezen snežni kristal, več snežnih kristalov, ki se držijo skupaj, ali velike skupine snežnih kristalov, ki tvorijo sneg, ki pada iz oblakov. Struktura ledenih kristalov. Molekule vode v ledenem kristalu tvorijo šesterokotno mrežo (glej sliko). Rdeče kroglice so atomi kisika. Sive palice so vodikovi atomi. Dva vodika za en kisik - H2O. Šestkratna simetrija snežink izvira iz kristalne mreže ledu. Snežinke rastejo iz vodne pare. Snežinke niso zamrznjene dežne kaplje. Včasih dežne kaplje zmrznejo, ko padejo, a temu pravimo toča. Kamni toče nimajo nobenih izdelanih in simetričnih vzorcev, ki jih najdemo v snežnih kristalih. Snežni kristali nastanejo, ko vodna para kondenzira neposredno v led, kar se zgodi v oblakih. Snežinke nastanejo zaradi rasti kristalov. Najosnovnejša oblika kristalnega snega je zgoraj prikazana šesterokotna prizma. Ta struktura nastane, ker določene kristalne površine, fasetne površine, zelo počasi kopičijo material. To je posledica dejstva, da je površina, na kateri nastanejo vogali, energijsko bolj neravnovesna kot tista, ki tvori ravnino, saj je večja verjetnost, da bodo vogali med seboj tvorili vez molekul. To je mogoče enostavno dokazati s štirikotnim kristalom, najpreprostejšo obliko. Ista zgodba je s šesterokotnimi prizmami. Fotografija prikazuje šesterokotne snežinke, ki jih je na južnem tečaju zbral Walter Tape. Te snežinke so narasle precej velike, saj so že zelo dolgo zmrzovale, kar je omogočilo, da se je pravilo nastajanja ledenih kristalov v celoti pokazalo. Šestkotna prizma vključuje dve šesterokotni "datumski" površini in šest pravokotnih "prizmatičnih" površin, kot je prikazano. Upoštevajte, da je lahko šesterokotna prizma ploščata ali stebrasta, odvisno od stopnje rasti površin. Ko so snežni kristali zelo majhni, obstajajo večinoma v obliki preprostih šestkotnih prizm. Toda ko rastejo, iz vogalov prizm poženejo "veje", ki ustvarjajo bolj zapletene oblike.

Izvor zapletenih oblik snežink. Odgovor na to vprašanje je v tem, kako se molekule vode premikajo po zraku, da se kondenzirajo na rastočem snežnem kristalu. Molekule potujejo po zraku, da dosežejo kristal, in ta difuzija upočasni njihovo rast. Bolj oddaljene molekule vode morajo potovati v zraku dlje, da dosežejo rastoči kristal. Torej, pomislite na ravno ledeno površino, ki raste v zraku. Če pride do majhnega trka in ostane na površini, potem sled iz njega štrli nekoliko dlje od preostalega kristala. To pomeni, da lahko druge molekule vode dosežejo to mesto hitreje kot preostali del kristala, saj se morajo proti njemu premikati dlje.

Ker se število molekul vode, ki dosežejo mesto trka, povečuje, mesto trka raste hitreje. Po kratkem času se trki pojavljajo pogosteje, rast pa še hitreje. Nato se pojavi tako imenovana nestabilnost razvejanja - na velikih vejah nastanejo novi majhni trki, ki postanejo mesto nastanka stranskih vej. Tako se rojeva kompleksnost. Ta nestabilnost je glavni razlog za zapletene oblike snežnih kristalov.

Ko se nestabilnost razvejanja vedno znova nanaša na snežni kristal, je rezultat tako imenovan ledeni dendrit. Beseda "dendrit" pomeni "drevesno" in zvezdasti drevesu podobni snežni kristali so pogosti. Hitrost difuzije molekul vode lahko spremenimo v laboratoriju. Če snežne kristale gojimo na zraku pod atmosferskim tlakom, so manj razvejani. To je zato, ker difuzija ne omejuje rasti pri nizkih tlakih, zato nestabilnost razvejanja ni tako intenzivna. Pri višjih tlakih nastanejo bolj razvejani snežni kristali. Rast snežnih kristalov je odvisna od ravnotežja med fasetami in razvejanostjo. Obrazi ponavadi ustvarjajo preproste ravne površine, veje pa bolj zapletene strukture. Interakcija med robovi in ​​razvejanjem je subtilna in zelo odvisna od parametrov, kot sta temperatura in vlažnost. To pomeni, da lahko snežni kristali rastejo na različne načine, kar ima za posledico veliko raznolikosti, ki se vidi v oblikah snežink.

Znani astronom Johannes Kepler je prvi preučeval snežinke. Leta 1611 je objavil razpravo "O šesterokotnih snežinkah", v kateri je analiziral predvsem geometrijske vidike njihove strukture. Na naslednji preboj je bilo treba čakati več kot dve stoletji. Na njen 15. rojstni dan je mama svojemu sinu, mlademu kmetu iz Vermonta, Wilsonu Alvinu Bentleyju, podarila mikroskop. In odločil se je pogledati snežinke v njem. 15. januarja 1885 je posnel prvo fotografijo snežinke tako, da je na mikroskop pritrdil fotoaparat in jo fotografiral na ozadju črnega papirja. Do konca življenja je prejel slike 5381 snežink. Leta 1920 bo prejel položaj v Nacionalni meteorološki službi in donacijo v višini 25 dolarjev za svoje raziskave, sneg pa bo začel padati ne le na kmetijah, ampak tudi v laboratorijih kinetike in kristalografov. Toda Bentley je prvi rekel, da dveh enakih snežink še nikoli ni videl, saj je razširjeno prepričanje, da v naravi ni dveh enakih snežink. Zdi se, kako tako. Milijoni lijejo z neba. Toda po drugi strani, če približno ocenimo, je v snežinki približno 1020 molekul vode, človeško oko pa lahko določi približno 100 vizualnih parametrov snežinke. Tak mozaik je torej mogoče oblikovati na končno, a noro ogromno načinov. In če se spomnite, da imajo atomi kisika in vodika različne izotope, vendar so v vodi še vedno nečistoče ... na splošno je vredno sprejeti, da v naravi ni dveh enakih snežink. Toda kristali imajo simetrično obliko. Makroskopski dejavniki (temperatura, tlak, koncentracije različnih snovi) v tako majhnem prostoru, kot je trenutni položaj kristalnega jedra v določenem trenutku, se ne razlikujejo veliko, rast v vse smeri pa je enaka. Dokler ne pride do zadrege ali, nasprotno, lepljenja.

Čista voda je brezbarvna prozorna tekočina. Gostota vode pri prehodu iz trdnega v tekoče stanje se ne zmanjša, kot pri skoraj vseh drugih snoveh, ampak se poveča. Ko se voda segreje od 0 do 4 ° C, se poveča tudi njena gostota. Pri 4 ° C ima voda največjo gostoto in šele z nadaljnjim segrevanjem se njena gostota zmanjša.

Če se z znižanjem temperature in s prehodom iz tekočega stanja v trdno gostota vode spremeni na enak način, kot se to dogaja pri veliki večini snovi, potem se s približevanjem zime površinske plasti naravne ohlajene vode. bi se znižala na 0 °C in se potopila na dno, s čimer bi naredili prostor za toplejše plasti, in to bi se nadaljevalo, dokler celotna masa rezervoarja ne doseže temperature 0 °C. Nadalje bi voda začela zmrzovati, nastale ledene plošče bi potonile na dno in rezervoar bi zmrznil do celotne globine. Vendar pa bi bile številne oblike življenja v vodi nemogoče. Ker pa voda doseže svojo najvišjo gostoto pri 4 ° C, se gibanje njenih plasti, ki je posledica hlajenja, konča, ko je dosežena ta temperatura. Z nadaljnjim znižanjem temperature ohlajena plast, ki ima manjšo gostoto, ostane na površini, zmrzne in s tem zaščiti spodnje plasti pred nadaljnjim hlajenjem in zmrzovanjem.

Velikega pomena v življenju narave je dejstvo, da voda. ima nenormalno visoko toplotno zmogljivost, zato se ponoči, pa tudi med prehodom iz poletja v zimo, voda počasi ohlaja, podnevi ali med prehodom iz zime v poletje pa se počasi segreva in je tako temperaturni regulator na svetu.

Zaradi dejstva, da se ob taljenju ledu prostornina vode zmanjša, tlak zniža tališče ledu. To izhaja iz Le Chatelierjevega načela. Res, naj bo. led in tekoča voda sta v ravnotežju pri 0 °C. Z naraščanjem tlaka se ravnotežje po Le Chatelierjevem principu premakne proti tvorbi faze, ki pri enaki temperaturi zavzema manjši volumen. Ta faza je v tem primeru tekoča. Tako povečanje tlaka pri О ° С povzroči preoblikovanje ledu v tekočino, kar pomeni, da se temperatura taljenja ledu zmanjša.

Molekula vode ima kotno strukturo; jedra, vključena v njegovo sestavo, tvorijo enakokraki trikotnik, na dnu katerega sta dva protona, na vrhu pa jedro atoma kisika. Medjedrne razdalje OH so blizu 0,1 nm, razdalja med jedri atomov vodika je približno 0,15 nm. Od osmih elektronov, ki sestavljajo zunanjo elektronsko plast atoma kisika v molekuli vode, dva elektronska para tvorita kovalentne vezi O-H, preostali štirje elektroni pa sta dva osamljena elektronska para.

Atom kisika v molekuli vode je v stanju -aea?Eaecaoee. Zato je vezni kot НОН (104,3 °) blizu tetraedričnega (109,5 °). Elektroni, ki tvorijo vezi O – H, so premaknjeni proti bolj elektronegativnemu atomu kisika. Posledično atomi vodika pridobijo učinkovite pozitivne naboje, tako da se na teh atomih ustvarita dva pozitivna pola. Centri negativnih nabojev osamljenih elektronskih parov atoma kisika, ki se nahajajo v hibridnih orbitalah, so premaknjeni glede na atomsko jedro in ustvarijo dva negativna pola.

Molekulska masa pare vode je 18 in ustreza njeni najpreprostejši formuli. Vendar pa se izkaže, da je molekulska masa tekoče vode, določena s preučevanjem njenih raztopin v drugih topilih, višja. To kaže, da v tekoči vodi obstaja povezava molekul, torej njihova povezava v bolj zapletene agregate. Ta sklep potrjujejo tudi nenormalno visoke vrednosti tališča in vrelišča vode. Povezovanje molekul vode je posledica tvorbe vodikovih vezi med njimi.

V trdni vodi (ledu) atom kisika vsake molekule sodeluje pri tvorbi dveh vodikovih vezi s sosednjimi molekulami vode po shemi, v kateri so vodikove vezi prikazane s pikčasto črto. Diagram volumetrične strukture ledu je prikazan na sliki. Nastajanje vodikovih vezi vodi do takšne razporeditve vodnih molekul, v kateri se s svojima nasprotnima poloma dotikajo druga druge. Molekule tvorijo plasti, od katerih je vsaka povezana s tremi molekulami, ki pripadajo isti plasti, in eno iz sosednje plasti. Struktura ledu spada med najmanj goste strukture, v njem so praznine, velikosti najmanj gostih struktur, v njem so praznine, katerih dimenzije so nekoliko večje od velikosti molekule.

Ko se led stopi, se njegova struktura uniči. Toda tudi v tekoči vodi se vodikove vezi med molekulami ohranjajo: tvorijo se asociati - kot drobci strukture ledu - sestavljeni iz večjega ali manjšega števila molekul vode. Vendar pa za razliko od ledu vsak pridruženi del obstaja zelo kratek čas: nenehno prihaja do uničenja nekaterih agregatov in nastanka drugih. Posamezne molekule vode se lahko nahajajo v prazninah takšnih "lednih" agregatov; v tem primeru postane pakiranje molekul vode gostejše. Zato se, ko se led stopi, količina vode, ki jo zaseda, zmanjša, njena gostota pa se poveča.

Ko se voda segreje, je ostankov ledene strukture v njej vedno manj, kar vodi v nadaljnje povečanje gostote vode. V temperaturnem območju od 0 do 4 ° C ta učinek prevlada nad toplotnim raztezanjem, tako da se gostota vode še naprej povečuje. Pri segrevanju nad 4 °C pa prevladuje učinek povečanega toplotnega gibanja molekul in gostota vode se zmanjša. Zato ima voda pri 4 ° C največjo gostoto.

Ko se voda segreje, se del toplote porabi za prekinitev vodikovih vezi (energija prekinitve vodikove vezi v vodi je približno 25 kJ/mol). To pojasnjuje visoko toplotno zmogljivost vode.

Voda v našem življenju je najbolj razširjena in najpogostejša snov. Človeško telo je 70 % vode, naravno okolje okoli nas pa vsebuje tudi 70 % vode.

Iz šolskih učbenikov vemo, da je molekula vode sestavljena iz atoma kisika in dveh atomov vodika, t.j. ena najmanjših in najlažjih molekul. Ne glede na vso običajnost in očitnost tistih lastnosti vode, ki jih nenehno uporabljamo, obstajajo paradoksi tekoče vode, ki določajo celo oblike življenja na Zemlji.

Tekoča voda ima večjo gostoto kot led. Zato se pri zmrzovanju volumen ledu poveča, led plava na površini vode.

Gostota vode je največja pri 4 ° C in ne pri tališču; zmanjša se tako desno kot levo od te temperature.

Viskoznost vode se z naraščajočim tlakom zmanjšuje.

Vrelišče vode je neodvisno od splošne odvisnosti vrelišča od molekulske mase snovi (slika 1.1). V nasprotnem primeru ne sme biti višja od 60 o C.

Toplotna zmogljivost vode je vsaj dvakrat večja od katere koli druge tekočine.

Toplota izhlapevanja (~ 2250 kJ / kg) je vsaj trikrat višja od toplote katere koli druge tekočine, 8-krat višja od toplote etanola.

Upoštevajte to zadnjo lastnost vode. Toplota izhlapevanja je energija, potrebna za prekinitev vezi med molekulami med njihovim prehodom iz kondenzirane faze v plinasto fazo. To pomeni, da je vzrok za vse paradoksalne lastnosti v naravi medmolekularnih vezi vode, to pa je odvisno od strukture molekule vode.

Slika 1.1. Razpon razmerij molekulske mase različnih spojin in njihovih vrelišč.

1. Kaj je to - molekula vode?

Leta 1780. Lavoisier je eksperimentalno ugotovil, da je voda sestavljena iz kisika in vodika, da dva volumna vodika medsebojno delujeta z enim volumnom kisika in da je masno razmerje vodika in kisika v vodi 2:16. Do leta 1840 je postalo jasno, da je molekulska formula vode H 2 O.

Tri jedra v molekuli tvorijo enakokraki trikotnik z dvema protonoma na dnu (slika 1.2). Elektronska formula molekule vode je [(1S 2)] [(1S 2) (2S 2) (2P 4)].

Slika 1.2.Oblikovanje sistema vezave mo. 2p-orbital atoma kisika in 1s-orbitale atoma kisika in 1s-orbitale vodikovih atomov.

Zaradi sodelovanja dveh elektronov vodika 1s v povezavi z dvema elektronoma 2p kisika pride do sfibridizacije in nastanejo hibridne orbitale sp 3 z značilnim kotom med njimi 104,5 ° ter dva pola nasprotnih nabojev. Dolžina vezi O - H je 0,95 Å (0,095 nm), razdalja med protoni je 1,54 Å (0,154 nm). Slika 1.3 prikazuje elektronski model molekule vode.

Slika 1.3. Elektronski model molekule H 2 O.

Osem elektronov se vrti v parih v štirih orbitalah, ki se nahajajo v treh ravninah (kot 90 O ), ki se prilegajo kocki. 1, 2 - osamljeni pari elektronov.

Najpomembnejša posledica tega razmišljanja: asimetrija porazdelitve naboja spremeni molekulo H2O v dipol: protoni se nahajajo na dveh pozitivnih koncih, osamljeni pari kisikovih p-elektronov pa na dveh negativnih koncih.

Tako lahko molekulo vode obravnavamo kot trikotno piramido - tetraeder, na vogalih katerega so štirje naboji - dva pozitivna in dva negativna.

Ti naboji tvorijo svoje najbližje okolje, pri čemer se sosednje molekule vode odvijajo na strogo določen način – tako da je med dvema atomoma kisika vedno le en atom vodika. Takšno medmolekulsko strukturo si najlažje predstavljamo in preučujemo na vodi v trdnem stanju. Slika 1.4 prikazuje strukturo ledu.

riž. 1.4. Heksagonalna struktura ledu

Strukturo držijo skupaj O-H...O vezi. Takšna kombinacija dveh atomov kisika sosednjih molekul vode s posredovanjem enega vodikovega atoma se imenuje vodikova vez.

Vodikova vez se pojavi iz naslednjih razlogov:

1 - proton ima samo en elektron, zato je odboj elektronov dveh atomov minimalen. Proton je preprosto potopljen v elektronsko lupino sosednjega atoma, s čimer se razdalja med atomi zmanjša za 20-30% (do 1 Å);

2 - sosednji atom mora imeti veliko vrednost elektronegativnosti. V konvencionalnih izrazih (po Paulingu) elektronegativnost F - 4,0; O - 3,5; N - 3,0; Cl - 3,0; C - 2,5; S - 2,5.

Molekula vode ima lahko štiri vodikove vezi, v dveh deluje kot darovalec elektronov, v dveh - kot akceptor elektronov. In te vezi lahko nastanejo tako s sosednjimi molekulami vode kot z drugimi snovmi.

Torej, dipolni moment, kot H-O-H in vodikova vez O-H ... O določajo edinstvene lastnosti vode in igrajo pomembno vlogo pri oblikovanju sveta okoli nas.

K. Chem.

MODERNO VODNI MODEL

Če naredimo kratek izlet v šolski tečaj kemije, se spomnimo, da dva elektronska para tvorita polarne kovalentne vezi med atomoma vodika in kisika, preostala dva elektronska para pa ostaneta prosta in se imenujeta v skupni rabi... Molekula vode ima kotno strukturo, kot H – O – H je 104,5 stopinj.

riž. Molekula vode

Ker ima atom kisika več elektronov (kemiki pravijo, da je atom kisika bolj elektronegativen) kot atom vodika, se elektroni obeh vodikovih atomov premaknejo proti bolj elektronegativnemu atomu kisika, kar povzroči, da sta dva pozitivna naboja vodikovih atomov kompenzirano z dvema atomoma vodik je negativni naboj atoma kisika. Zato ima elektronski oblak neenakomerno gostoto. V bližini vodikovih jeder je pomanjkanje elektronske gostote, na nasprotni strani molekule, blizu jedra kisika, pa opazimo presežek elektronske gostote. To vodi v dejstvo, da je molekula vode majhen dipol, ki vsebuje pozitivne in negativne naboje na polih. Prav ta struktura določa polarnost molekule vode. Če epicentre pozitivnih in negativnih nabojev povežemo z ravnimi črtami, dobimo tridimenzionalni geometrijski lik – pravilen tetraeder. Toda tak tetraeder je le prva osnovna raven strukture vode.

riž. Zgradba molekule vode: a) kotna; b) žoga; c) tetraedrski

Drugo stopnjo kemične organizacije vode določa sposobnost vodnih tetraedrov, da tvorijo posebne vezi, imenovane vodikove vezi, ki posamezne molekule med seboj vežejo v asociate.

Vodikova vez je globalnega pomena v kemiji medmolekularnih interakcij in je predvsem posledica šibkih elektrostatičnih sil in vplivov. Pojavi se, ko z elektroni osiromašeni vodikov atom ene vodne molekule interagira z osamljenim elektronskim parom atoma kisika sosednje molekule vode.

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

riž. Vsaka molekula vode je sposobna tvoriti vodikove vezi s štirimi sosednjimi molekulami

V kristalni strukturi ledu vsaka molekula sodeluje v 4 vodikovih vezi, usmerjenih proti ogliščih tetraedra. V središču tega tetraedra je atom kisika, v dveh ogliščih - atom vodika, katerega elektroni sodelujejo pri tvorbi kovalentne vezi s kisikom. Dve preostali točki zasedata pari valenčnih elektronov kisika, ki ne sodelujejo pri tvorbi znotrajmolekularnih vezi.

riž ... Vodikove vezi v kristalni mreži ledu

Za razliko od ledu se v tekoči vodi vodikove vezi zlahka uničijo in hitro obnovijo, zaradi česar je struktura vode izjemno spremenljiva. Zahvaljujoč tem povezavam se v posameznih mikrovolumnah vode nenehno pojavljajo svojevrstni asociati vode - njeni strukturni elementi. Vse to vodi do heterogenosti v strukturi vode.

Prvo idejo, da je voda heterogena po svoji strukturi, je izrazil Whiting leta 1884. Njegovo avtorstvo je navedeno v monografiji »Narava vode. Težka voda", objavljena leta 1935. Po njej se je pojavilo veliko del, v katerih je voda obravnavana kot mešanica sodelavcev različnih sestav ("hidroli").

Ko so v dvajsetih letih prejšnjega stoletja določili strukturo ledu, se je izkazalo, da molekule vode v kristalnem stanju tvorijo tridimenzionalno neprekinjeno mrežo, v kateri ima vsaka molekula štiri najbližje sosede, ki se nahajajo na vrhovih pravilnega tetraedra. Leta 1933 sta J. Bernal in P. Fowler predlagala, da podobna mreža obstaja v tekoči vodi. Ker je voda gostejša od ledu, so verjeli, da se molekule v njej ne nahajajo na enak način kot v ledu, torej kot atomi silicija v mineralu. tridimit, kot tudi atomi silicija v gostejši modifikaciji silicijevega dioksida - kvarc. Povečanje gostote vode pri segrevanju od 0 do 4 ° C je bilo razloženo s prisotnostjo tridimitne komponente pri nizkih temperaturah. Tako je model Bernal - Fowler ohranil element dveh struktur, vendar je njihov glavni dosežek ideja neprekinjene tetraedrske mreže. Nato se je pojavil slavni aforizem I. Langmuirja: "Ocean je ena velika molekula".

Šele leta 1951 je ustvaril J. Popple model neprekinjene mreže, ki ni bil tako specifičen kot model Bernal-Fowler. Pople si je vodo predstavljal kot naključno tetraedrsko mrežo, v kateri so vezi med molekulami ukrivljene in imajo različne dolžine. Poplov model pojasnjuje zbijanje vode med taljenjem z upogibanjem vezi. Ko so se v 60. in 70. letih pojavile prve definicije strukture led II in IX, postalo je jasno, kako lahko ukrivljenost vezi povzroči zgostitev strukture. Poplov model ni mogel pojasniti nemonotonosti odvisnosti lastnosti vode od temperature in tlaka, kot tudi model dveh stanj. Zato so mnogi znanstveniki dolgo časa delili idejo o dveh državah.

riž. Model neprekinjene mreže

V drugi polovici 20. stoletja je poleg „ neprekinjeno"Modeli (Poplov model) sta se pojavili dve skupini" mešanih "modelov: grozd in klatrati e. V prvi skupini se je voda pojavila v obliki grozdov molekul, povezanih z vodikovimi vezmi, ki so plavale v morju molekul, ki niso bile vpletene v takšne vezi. Modeli druge skupine so vodo obravnavali kot neprekinjeno mrežo vodikovih vezi – okvir, ki vsebuje praznine; vsebujejo molekule, ki ne tvorijo vezi z molekulami ogrodja.

Med grozdnih modelov najbolj presenetljiv je bil model G. Nemethyja in H. Sheraghija, slike, ki sta jih predlagala, ki prikazujejo grozde vezanih molekul, ki plavajo v morju nevezanih molekul, so bile vključene v številne monografije.

Še en vodni model, ki sta ga leta 1957 predlagala Frank in Wen, je svetleči model grozda. Ta model je zelo blizu sodobnim idejam o strukturi vode. V tem modelu se vodikove vezi v vodi nenehno tvorijo in prekinjajo, ti procesi pa potekajo kooperativno znotraj kratkoživih skupin vodnih molekul, imenovanih "utripajoči grozdi". Njihova življenjska doba je ocenjena v razponu od 10-10 do 10-11 s. Ta predstavitev verjetno pojasnjuje visoko stopnjo mobilnosti tekoče vode in njeno nizko viskoznost. Menijo, da zaradi teh lastnosti voda postane eno najbolj vsestranskih topil.

DIV_ADBLOCK567 ">

Leta 2002 je skupina dr. Head-Gordona z analizo rentgenske difrakcije z uporabo super zmogljivega vira rentgenskih žarkov Advanced Light Source (ALS) uspela pokazati, da so molekule vode sposobne tvoriti strukture zaradi vodikovih vezi - "prave opeke " vode, ki so topološke verige in obroči iz številnih molekul vode. Raziskovalci jih pri interpretaciji pridobljenih eksperimentalnih podatkov štejejo za precej dolgožive strukturne elemente. V bistvu je voda skupek neurejenih polimerov in hipotetičnih »vodnih kristalov« (ki naj bi obstajali v talini vodi), kjer lahko število molekul, vezanih na vodik, doseže stotine ali celo tisoče enot.

"Vodni kristali" imajo lahko različne oblike, tako prostorske kot dvodimenzionalne (v obliki obročastih struktur). V središču vsega je tetraeder. To je oblika molekule vode. Tetraedri vodnih molekul tvorijo različne prostorske in ravninske strukture. In od vse raznolikosti struktur v naravi je osnova šesterokotna (šesterokotna) struktura, ko je šest vodnih molekul (tetraedrov) združenih v obroč. Ta vrsta strukture je značilna za led, sneg in taljeno vodo.

riž. eno. Kristalna struktura ledu

Ko se led stopi, se njegova tetragonalna struktura uniči in nastane mešanica grozdov, sestavljenih iz tri-, tetra-, penta- in heksamerov vode in prostih molekul vode. Shematično je ta proces mogoče predstaviti na naslednji način.

riž ... Struktura tekoče vode. V vodi se grozdi občasno razgradijo in ponovno nastanejo. Čas skoka je 10-12 sekund.

Izkazalo se je, da je preučiti strukturo teh tvorbenih asociatov precej težko, saj je voda mešanica različnih polimerov, ki so med seboj v ravnotežju. Polimeri med seboj trčijo drug v drugega, se razgradijo in ponovno oblikujejo.

Prav tako je skoraj nemogoče ločiti to mešanico na ločene komponente. Šele leta 1993 je skupina raziskovalcev z Univerze v Kaliforniji (Berkeley, ZDA) pod vodstvom dr. R. J. Saikallija dešifrirala strukturo vodnega trimerja, leta 1996 - tetramera in pentamera, nato pa še vodnega heksamera. Do takrat je bilo že ugotovljeno, da je tekoča voda sestavljena iz polimernih asociatov (grodov), ki vsebujejo od tri do šest molekul vode.

Izkazalo se je, da je struktura heksamera bolj zapletena. Ugotovljeno je bilo, da najpreprostejša struktura - šest molekul vode na ogliščih šesterokotnika - ni tako močna kot struktura celice. Poleg tega so se tudi strukture prizme, odprte knjige ali čolna izkazale za manj stabilne. V šesterokotniku je lahko le šest vodikovih vezi, eksperimentalni podatki pa kažejo na prisotnost osmih. To pomeni, da so štiri molekule vode zamrežene z vodikovimi vezmi.

Ugotovljene so bile strukture vodnih grozdov in teoretično vam današnja računalniška tehnologija to omogoča. Leta 1999 je Stanislav Zenin skupaj z B. Polanuerjem (zdaj v ZDA) na Državnem raziskovalnem inštitutu za genetiko izvedel študijo vode, ki je prinesla zelo zanimive rezultate. S sodobnimi metodami analize – refraktometrijo, protonsko resonanco in tekočinsko kromatografijo, so uspeli odkriti asociate vodnih molekul – grozde.

Ri Z. Možni vodni grozdi

Z združevanjem med seboj lahko grozdi tvorijo bolj zapletene strukture:

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

riž. Oblikovanje grozda 20 molekul vode.

Z analizo pridobljenih podatkov je predlagal, da je voda hierarhija pravilnih volumetričnih struktur "pridruženih" (klatratov), ​​ki temeljijo na kristalno podobnem "kvantu vode", sestavljenem iz 57 njenih molekul, ki medsebojno delujejo. zaradi prostih vodikovih vezi. V tem primeru 57 vodnih molekul (kvantov) tvori strukturo, ki spominja na tetraeder. Tetraeder pa je sestavljen iz 4 dodekaedrov (pravilnih 12-edrov). 16 kvantov tvori strukturno enoto, sestavljeno iz 912 molekul vode. Voda je 80 % sestavljena iz takšnih elementov, 15 % so kvantatetraedri in 3 % so klasične molekule H2O. Tako je struktura vode povezana s tako imenovanimi platonskimi telesi (tetraeder, dodekaeder), katerih oblika je povezana z zlatim rezom. Jedro kisika ima tudi obliko Platonove trdne snovi (tetraeder).

Enotna celica vode so tetraedri, ki vsebujejo štiri (preprost tetraeder) ali pet molekul H2O (tetraeder s telesnim središčem), povezanih z vodikovimi vezmi.

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

riž. Dodekaeder

Tako v vodi nastanejo številni grozdi, ki nosijo zelo veliko energijo in informacijo izjemno visoke gostote. Redna številka tovrstnih struktur vode je tako visoka kot redna številka kristalov (struktura z najvišjo urejenostjo, ki jo le poznamo), zato jih imenujemo tudi "tekoči kristali" ali "kristalna voda". "Vodni kvanti" lahko medsebojno delujejo zaradi prostih vodikovih vezi, ki štrlijo iz vrhov "kvanta" s svojimi obrazi. V tem primeru je možna tvorba dveh vrst struktur drugega reda. Njihova interakcija med seboj vodi do nastanka struktur višjega reda. Slednje je sestavljeno iz 912 molekul vode, ki po Zeninovem modelu praktično ne morejo medsebojno delovati zaradi tvorbe vodikovih vezi. To pojasnjuje na primer visoko pretočnost tekočine, sestavljene iz ogromnih polimerov. Tako je vodni medij tako rekoč hierarhično organiziran tekoči kristal.

riž. Oblikovanje ločenega vodnega grozda (računalniška simulacija)

Sprememba položaja enega strukturnega elementa v tem kristalu pod vplivom katerega koli zunanjega dejavnika ali sprememba orientacije okoliških elementov pod vplivom dodanih snovi zagotavlja po Zeninovi hipotezi visoko občutljivost informacijskega sistema o vodi. . Če stopnja motenj strukturnih elementov ni zadostna za prestrukturiranje celotne strukture vode v danem volumnu, se po odstranitvi motnje sistem vrne v prvotno stanje v 30-40 minutah. Če se kodiranje, to je prehod na drugačno medsebojno razporeditev strukturnih elementov vode, izkaže za energetsko ugodno, se kodirno delovanje snovi, ki je povzročilo to preureditev, odraža v novem stanju [Zenin, 1994]. Ta model omogoča Zeninu, da razloži "spomin vode" in njene informacijske lastnosti [Zenin, 1997].

K. Chem.

Reference:

... Napredek v fizikalni kemiji, 2001

,. Eksperimentalni dokaz prisotnosti vodnih frakcij. J. Homeopatsko zdravilo in akupunktura. 1997. # 2, str. 42-46.

,. Hidrofobni model strukture asociatov vodnih molekul. J. Phys. Kemija 1994. T. 68. št. 4. S. 636-641.

Raziskovanje strukture vode z metodo protonske magnetne resonance. Dokl. RAS 1993.T.332.št.3.P.328-329.

,. Narava hidrofobne interakcije. Pojav orientacijskih polj v vodnih raztopinah. J. Phys. Kemija 1994. T. 68. št. 3. S. 500-503.

,. Raziskovanje intramolekularnih interakcij v nukleotidnih amidih z NMR. Gradivo 2. vseslovenske konf. Po dinamiki. Stereokemija. Odessa, 1975, str.