Вода состоит не только из молекул h3O
Ученые Сколтеха в сотрудничестве с исследователями из Штутгартского университета показали, что концентрация короткоживущих ионов (H3O+ и OH—) в чистой жидкой воде намного выше, чем учитывается при оценке pH. Это открытие существенно меняет наши представления о динамической структуре воды. Результаты исследования опубликованы в издании Scientific Reports.
Инфракрасные спектры легкой (красный), тяжелой (синий), полутяжелой (серый) воды и ионные частицы, исследованные в данной работе. Красными, белыми и черными кружками обозначены атомы кислорода, водорода и дейтерия, соответственно. Стрелками показаны направления их колебаний
Присутствующие в жидкой воде ионные частицы играют важную роль в окислительно-восстановительных процессах, каталитических реакциях и электрохимических системах. Ранее предполагалось, что ядерные квантовые эффекты способствуют низкобарьерному туннелированию атома водорода между молекулами воды, и возникновению короткоживущих состояний с избыточным протоном. Однако экспериментальное подтверждение этому отсутствовало.
Ученые Сколтеха в сотрудничестве с немецкими учеными измерили ионно-молекулярный состав жидкой воды на субпикосекундной временно́й шкале. Результат удивил ученых: они обнаружили, что несколько процентов молекул H2O временно находились в ионизированном состоянии.
«Для определения избыточных протонных состояний мы использовали изотопологи воды: обычную (H2O), тяжелую (D2O) и полутяжелую (HDO) воду. Постепенно заменяя атомы водорода (H) дейтерием (D), мы меняли относительную концентрацию частиц, связанных с избыточным протоном − HD2O+, DH2O
«Предыдущие исследования структуры воды были основаны на кристаллографических экспериментах и не отражали динамику воды. Наша работа дает новые представления о сложной структуре воды на ультракороткой временно́й шкале. Полученные результаты позволяют предположить, что в будущем будут обнаружены новые эффекты взаимодействия электрического поля и воды, а также другие необычные свойства воды», − говорит первый автор статьи, старший научный сотрудник CEST д-р Василий Артёмов.
Контакты:
Skoltech Communications
+7 (495) 280 14 81
Сибирские учёные разработали эффективный метод для изучения молекул воды
Вода — один из самых важных элементов на Земле. В молекулу воды входит два атома водорода. Ядро каждого из атомов — протон — имеет специфическое физическое свойство, которое называется спин. Молекула воды, в которой спины двух протонов сонаправлены, называется ортоизомером. Если же они направлены навстречу друг другу, то мы имеем дело с параизомером.
«Наше знание о свойствах спиновых изомеров воды ещё не полно, — поясняет один из авторов статьи кандидат технических наук Александр Анатольевич Мамрашев. — Эти два вида молекул имеют почти идентичные физические и химические свойства, поэтому их трудно отделить друг от друга. Также трудно осуществить превращение одного изомера в другой. В нормальных условиях концентрации изомеров молекул воды относятся как 3:1. Основная задача в рамках гранта Российского научного фонда № 17-12-01418, который мы сейчас выполняем, — изменить это отношение в ту или другую сторону, создав тем самым обогащение одного из изомеров. Далее можно будет исследовать свойства и применения спиновых изомеров воды».
Чтобы следить за концентрацией каждого из изомеров, необходим эффективный метод их детектирования. Учёные ИАиЭ СО РАН и ИСЭ СО РАН разработали эффективный метод измерения содержания орто- и параизомеров паров воды, присутствующих в воздухе. Дело в том, что спектры поглощения этих видов молекул отличаются друг от друга: следуя законам квантовой статистики, два изомера воды находятся в различных вращательных состояниях, и это проявляется в инфракрасных и терагерцовых спектрах поглощения.
Для измерения спектров поглощения на вещество направляется поток излучения, часть которого проходит практически без взаимодействия с субстанцией, а часть поглощается ею. В данном исследовании специалисты использовали импульсное терагерцовое излучение и спектрометр, который позволяет измерять поглощение в широком диапазоне частот от 0,1 до 2,7 ТГц. Измеряя величину поглощения отдельных линий, принадлежащих орто- и пара-h3O, в терагерцовом диапазоне, можно определить концентрацию молекул каждого из изомеров.
Преимуществом разработанного метода по сравнению с методами классической узкополосной спектроскопии является возможность одновременного измерения нескольких линий поглощения молекул воды в одинаковых физических условиях без перестройки частоты излучения.
Процедура измерения отношения орто- и параизомеров молекул воды включала следующие этапы. С помощью созданного в лаборатории информационной оптики ИАиЭ СО РАН широкополосного спектрометра измерялись терагерцовые спектры в двух средах: в чистом азоте при атмосферном давлении и в воздухе, содержащем пары воды. Их сопоставление давало экспериментальный спектр поглощения паров воды, который сравнивался с теоретическим, рассчитанным с использованием данных из международной базы HITRAN.
Сопоставление теоретических спектров с экспериментальными позволило определить отношение концентраций орто- и параизомеров молекул воды. По измерениям в диапазоне 0,15—1,05 ТГц их отношение составило 3,03±0,03. Полученное значение согласуется с теоретическим значением, равным 3 в равновесных условиях.
Результат доказывает работоспособность предложенного метода и открывает перспективы его использования для исследования обогащения ядерных спиновых изомеров молекул воды в газовой фазе. Обогащенные изомеры могут найти применение в задачах магнитной томографии и для исследования процессов с участием молекул воды в космосе.
«Человеческая электростанция»: как работают молекулярные станки в клетках
Каждая наша клетка представляет собой цех, наполненный станками. Станки вмонтированы в мембраны митохондрий — микроскопических энергетических центров. Они служат для производства АТФ (аденозинтрифосфат) — это «человеческий бензин», на котором работает весь наш организм. Сотни триллионов митохондрий ежесекундно «гудят» от «рева» проворачивающихся робототехнических устройств на протонной тяге. В маленькую дырочку попадает фосфат, который проваливается в контейнер, за счет электрического тока протонов приобретает там новые химические свойства, а потом вываливается в шланг, по которому поступает внутрь митохондрии для присоединения к другим фосфатам для образования молекулы АТФ.
Неужели эта промышленная картина может быть частью нашего организма? И откуда в наших клетках эти «станки»? И как там оказываются протоны? И неужели устройства, напоминающие круговые двери в супермаркетах, могут в количестве миллионов штук «населять» нас изнутри?
Все эти вопросы, а также ответы на них родились у микробиологов и биофизиков, которые хотели понять, как разнообразная еда, поглощаемая человеком, превращается в вещество, снабжающее энергией каждую нашу мышцу. Оказывается, цикл превращений так сложен, что изложение его в подробностях может составить текст солидной книги. Но вкратце это можно представить так: после того как пища пережевана и проглочена, она попадает в желудок, где подвергается различным видоизменениям, позволяющим дальнейшее всасывание. Процесс пищеварения продолжается в тонком кишечнике под воздействием различных пищевых ферментов. Там происходит превращение углеводов в глюкозу, расщепление липидов и белков.
Потом глюкоза попадает в клетку. Там она распадается пополам на две составляющие — и в таком виде (это называется пируват) попадает в митохондрию.
Митохондрии — это обязательная часть клеток большинства живых организмов — животных, растений, грибов. По одной из версий, митохондрии когда-то были самостоятельными организмами и жили отдельно от нас, поэтому до сих пор сохранили свой геном (митохондриальный). То есть в каждой клеточке любого человека сидит существо со своим геномом! Но в какой-то момент, еще в древности, они слились с нашими клетками, обеспечивая им переработку пищи в энергию. Это плодотворное сотрудничество, выгодное обоим организмам, называется симбиозом и продолжается до сих пор.
Итак, попадая в митохондрию, пируваты — части глюкозы (в цикле Кребса) последовательно окисляются.
Неподалеку в митохондрии плавает никотинамидадениндинуклеотид (NAD), у которого энергия окисления при переходе на эту молекулу вызывает отщепление протона.
Вот! Наконец-то в сложной схеме превращений возник тот самый протон, который необходим для синтеза молекулы АТФ. На нашей главной иллюстрации эти протоны носятся в быстром темпе над мембраной митохондрии, прежде чем попасть в «станок». На самом деле, до последнего времени не было понятно, как именно они туда попадают. Ведь эти протоны могут уплывать куда им вздумается! Однако почему-то они держатся около мембраны, «кучкуясь» прямо у входа в круговые ворота «станка». Российские ученые НИТУ «МИСиС» в кооперации с австрийскими коллегами из Института биофизики Университета имени Иоганна Кеплера (Линц), проведя филигранные эксперименты, теперь знают, почему же так получается.
Поясняет сотрудник кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ «МИСиС» Сергей Акимов: «Протоны, двигаясь внутри митохондрии, пребывают в воде. Известно, что молекула воды (h3O) состоит из двух атомов водорода (h2) и одного атома кислорода (O16). Помимо химической связи внутри одной молекулы воды, эти атомы могут образовывать слабые связи с соседними молекулами воды, называемые водородными связями. Вблизи поверхности мембраны эти связи в молекуле воды образуются особым образом, поскольку с одной стороны находится вода, с другой — „стенка“. Водородные связи вблизи мембраны другие, у них другое число, другая структура. Именно их протон и использует в качестве „рельсов“ для продвижения вперед вдоль мембраны. Наше исследование показало, что ему „нравится“ эта структура, он не уплывает вглубь митохондрии, а аномально быстро носится вдоль мембраны».
Так происходит «захват» протонов для образования самой главной энергетической молекулы нашего тела — АТФ. Они используются для любого нашего движения, поддержания температуры тела и так далее. АТФ представляет собой универсальный «аккумулятор», поставляющий энергию для большинства реакций, происходящих в клетке. Таким образом обеспечивается синтез белков, углеводов, жиров, движение жгутиков и ресничек, транспорт веществ, избавление клетки от отходов. При расщеплении АТФ — разрядке «аккумулятора» — выделяется нужная нам энергия.
Полученные результаты фундаментального исследования приближают ученых к пониманию глобальных механизмов генерации энергии в клетках, а также открывают перспективы перед фармакологией. Результаты работы могут быть использованы для разработки препаратов, нейтрализующих действие разобщительных ядов, а также для профилактики заболеваний, связанных с гиперфункцией щитовидной железы. При этих патологиях в митохондриях накапливаются так называемые вещества-разобщители — слабые жирорастворимые кислоты, которые эффективно связывают протоны, что приводит к общему снижению синтеза АТФ. Новые знания, полученные российскими учеными, позволяют понимать, что нужно сделать для того, чтобы восстановить энергию человека на уровне каждой клетки.
почему вода настолько удивительна | Grundfos
Меня чрезвычайно увлекает вода.
Наша способность перемещать воду в ее жидком состоянии — — из найденного источника туда, где она необходима, — — является своего рода движущей силой развития цивилизаций. Все цивилизации были созданы благодаря способности человечества перемещать и использовать воду. Движущей силой для меня как ученого является — — понимание свойств воды. Вода — чрезвычайно удивительное вещество. — — Это самая важная молекула на Земле.
Возможно, она является самой важной молекулой во Вселенной. Это также движущая сила — — развития таких компаний, как Grundfos, основной деятельностью которых является перемещение воды. Grundfos перемещает воду.
Grundfos решает глобальные задачи. Способность перемещать воду туда, где она используется, — — в сельском хозяйстве, домах, промышленности — — и в больницах по всему миру — крайне важна — — для жизнеобеспечения, — — сохранения жизни и здоровья. Молекулы воды на самом деле очень просты.
Большинство людей знают молекулярную формулу воды. h3O. Это общеизвестный факт. Но, несмотря на то, что молекулы воды довольно просты, нам еще многое предстоит о них узнать. Задача для меня как химика — — состоит в том, чтобы оценить, можно ли понять все важные свойства воды — — лишь по одной ее молекуле. Звучит просто, но это не так просто, как кажется.
Если вы амбициозны — — и хотели бы получить Нобелевскую премию по химии, я бы посоветовал вам изучать воду. Сегодня мы знаем примерно сто миллионов молекул, — — но только одну из ста миллионов молекул, а именно воду, — — мы знаем во всех трех фазах. Это лед. Жидкая фаза (вода) и газообразная фаза (пар).
Вся наша климатическая система фактически управляется водой, — — которая переходит из твердой формы, льда, в жидкую форму — — и из жидкой формы в газообразную форму, пар. Когда молекулы воды существуют в виде льда, жидкости или газа, — — переход между этими тремя состояниями фактически управляет климатической системой. В этих переходах задействовано огромное количество энергии.
В случае обычного дождя, 15 мм осадков, — — на территории площадью с небольшой город, — — который идет, например, в течение часа, — — количество высвобождаемой энергии сопоставимо с количеством энергии, — — высвобождаемой при ядерном взрыве. В воде много воды. Странно звучит, — — но количество молекул в одном литре воды просто огромное.
Если представить, что молекулу воды заменили песчинкой, — — нам бы понадобился ящик длиной 200 км в этом направлении, — — 200 км в этом направлении и 200 км в высоту. Такой ящик, заполненный песком, содержал бы столько же песчинок, — — сколько молекул воды содержится в одном литре. Главный секрет молекул воды состоит в водородной связи.
Это свойство присуще не одной молекуле воды, — — а двум и более. Если взять молекулу воды, — — она имеет тенденцию связываться с другой молекулой воды. — — Такая связь называется водородной. Понимание водородной связи — — также является ключом к пониманию свойств воды.
Система обратного осмоса atoll A-450m STD Compact
Система очистки воды на основе обратного осмоса Atoll A-450m Compact STD с минерализатором. Предназначена для доочистки воды в бытовых условиях и ее последующего употребления в пищу, а также других целей. Удаляет до 99,9% всех примесей содержащихся в воде и предотвращает образование накипи в нагревательных приборах. Фильтрация осуществляется за счет прохождения воды под напором через полупроницаемую мембрану, которая пропускает только молекулы воды и кислорода.
Мобильная и компактная модель — подходит для домашних и дачных условий. Состоит из 4 ступени очистки и подходит семьям из 3-4 человек.
- Мембрана FilmTec TW30-1812-50 – представляет из себя полупроницаемый материал, через который могут пройти только молекулы воды и кислорода. Загрязнение фильтрующей поверхности мембраны необратимо и приводит к полной остановке процесса очистки воды. Поэтому применяется предварительная двухступенчатая фильтрация поступающей воды, а работа мембраны организована так, что все поступающие к ней загрязнения не оседают на ее поверхности, а смываются в канализацию.
- Накопительный бак — ёмкость для хранения чистой воды, объемом 12 литров (полезный объем – 8).
- Pentek GS-10CAL/RO угольный постфильтр с минерализатором – последняя ступень очистки, непосредственно перед питьевым краном. Угольный постфильтр с кальцитом эффективно используется только в случаях, когда фильтр долгое время не использовался и очищенная вода, находящаяся в баке и трубках, могла приобрести неприятный привкус или запах. Кальцит обогащает воду полезными минеральными солями.
- Кран питьевой – врезается в кухонную мойку или столешницу. Служит в качестве независимого источника получения чистой питьевой воды отдельно от общего потока.
- Одной из главных уникальных особенностей фильтров ATOLL, является использование входящих в состав фильтров фильтрующих элементов исключительно высокого качества. Основные фильтрующие элементы изготовленны в США и сертифицированны NSF (международная организация тестирующая товары в сфере охраны здоровья).
Подбор фильтрующих элементов для фильтров ATOLL производится с учетом особенностей состава воды в российских условиях.
Срок службы: 5 лет
Deltawerken — Молекула воды
Молекула воды
Все вещества на Земле состоят из молекул. Молекула воды — самая доступная молекула на Земле, а также одна из самых уникальных, что станет очевидным по мере чтения. Молекулы состоят из более мелких частей, называемых атомами. Молекула воды содержит три атома: один атом кислорода и два атома водорода. Кислород, вещество, которым мы все дышим, состоит из двух атомов кислорода. Химический символ воды — h3O, где h3 обозначает два атома водорода, а O — один атом кислорода.Очень сильные электромагнитные силы связывают атомы одной молекулы друг с другом.
Между отдельными молекулами существует параллельное электромагнитное притяжение. Молекулы постоянно движутся и постоянно образуют и разрывают связи с другими молекулами. Под высоким давлением и низкой температурой молекулы не так много перемещаются и обычно образуют твердое вещество. В этом состоянии расстояние между отдельными молекулами относительно невелико, а плотность вещества относительно высока.При повышении температуры или понижении давления молекулы перемещаются быстрее, а связи ослабевают. В этот момент твердое вещество расплавится и образует жидкость. При еще более высоких температурах / более низких давлениях связи еще больше ослабевают, и состояние молекулы меняется на газ. Это называется точкой кипения. На этой стадии расстояние между молекулами велико и межмолекулярные связи практически отсутствуют, поэтому газы имеют очень низкую плотность. Точки кипения и плавления различны для каждого вещества на Земле.Например, при нормальном давлении и температуре кислород является газом, ртуть — жидкостью, а золото — твердым телом. Однако вода — единственное вещество, которое в природе может находиться во всех трех состояниях: лед (твердое тело), вода (жидкость) и пар (газ).
Многие уникальные качества воды обусловлены сильными водородными связями между молекулами воды (h3O). Атом водорода ( h3 ) имеет небольшой отрицательный заряд, а атом кислорода ( O ) имеет небольшой положительный заряд.Таким образом, эта молекула имеет полярность, то есть одна сторона положительная, а другая отрицательная, и называется диполем. Подобно магниту, водород одной молекулы воды притягивается атомами кислорода другой молекулы воды. Поскольку молекулы воды постоянно движутся, они постоянно образуют и разрывают водородные связи каждые 200 фемтосекунд, что составляет 0,0000000000002 секунды или 5 триллионов раз по в секунду. Водородная связь слабее, чем связи между атомами внутри молекулы, но сильнее, чем любая другая межмолекулярная связь.
Когда вода становится льдом, она образует кристаллическую структуру, предотвращающую дальнейшее сжатие молекул. Однако из-за водородных связей плотность воды в жидком состоянии может достигать более высокого уровня, чем в твердом: что позволяет льду плавать по воде. Самая высокая плотность молекул воды составляет около 4 ° C (39,2 ° F). Молекула воды — одна из немногих молекул, которая имеет самую высокую плотность в жидком состоянии. Если бы вода была на , а не на плотнее льда, все озера замерзли бы в более холодных регионах мира, так как лед опускался бы на дно.Летом оттаивает только верхний слой этих озер. Однако, поскольку самая высокая плотность воды составляет 4 ° C, замерзает только верхний слой, вода подо льдом опускается до 4 ° C и затем остается жидкой. Он не может превратиться в лед, потому что на нем нет места, чтобы расшириться из-за слоя льда наверху. Это дает водным растениям и животным возможность выжить подо льдом.
Другие особенности воды, связанные с водородными связями, являются ли ее растворителем? емкость и его высокое поверхностное натяжение. Вода известна как один из самых универсальных растворителей и может растворять практически все, кроме «гидрофобных» (буквально «водобоязненных») веществ, таких как масло.Вещества, которые являются «гидрофильными» (буквально «водолюбивыми»), легко растворяются в воде. Поскольку молекулы воды очень маленькие и биполярные, любое гидрофильное вещество, которое вступает в контакт с водой и имеет положительный или отрицательный заряд, растворяется. Положительно заряженные молекулы образуют связи с кислородным элементом молекулы воды, а отрицательно заряженные молекулы образуют водородные связи с водородной частью атомов водорода молекулы воды. Однако неполярные гидрофобные молекулы, такие как масло, не растворяются в воде.
Высокое поверхностное натяжение необходимо для действия, известного как «капиллярный подъем». Капиллярный подъем — это процесс, при котором вода движется вверх по узкой трубке против силы тяжести. Это происходит потому, что вода прилипает к сторонам трубки, а затем поверхностное натяжение имеет тенденцию выпрямлять поверхность, заставляя поверхность подниматься, и больше воды вытягивается вверх за счет сцепления. Процесс повторяется по мере того, как вода течет вверх по трубке, пока не наберется достаточно воды, чтобы сила тяжести противодействовала силе сцепления.Этот же процесс сцепления используется в растениях и деревьях для извлечения воды и питательных веществ из окружающей почвы. Высокое поверхностное натяжение также позволяет легким предметам оставаться на поверхности воды. Наглядной иллюстрацией этого является фигуристка пруда. Это насекомое буквально способно ходить по воде!
Молекула воды
Вода представляет собой химическое соединение и полярную молекулу, которая является жидкостью. при стандартной температуре и давлении. Он имеет химическое формула H 2 O, означающая, что одна молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.Вода встречается почти повсюду на земле и требуется всем известная жизнь. Около 70% поверхности Земли покрыто вода. Вода, как известно, существует в форме льда на нескольких других тела в солнечной системе и за ее пределами, и доказательство того, что оно существует (или существовали) в жидкой форме где-либо, кроме Земли, быть убедительным доказательством внеземной жизни.
Общий
Вода в твердом состоянии называется льдом; газообразное состояние известно как водяной пар (или пар).В единицы температуры (ранее градус Цельсия, а теперь Кельвина) определяются в терминах тройной точки вода, 273,16 К (0,01 ° С) и 611,2 Па, температура и давление, при котором сосуществуют твердая, жидкая и газообразная вода. в равновесии. Вода проявляет очень странное поведение, в том числе образование таких состояний, как стекловидный лед, некристаллическое (стеклообразное) твердое состояние воды.
При температурах выше 647 К и давлениях выше 22,064 МПа, совокупность молекул воды предполагает сверхкритическое состояние , при котором жидко-подобные кластеры плавают в пределах парообразная фаза.
Путь жидкости для воды является мерой количества жидкости. вода в столбе воздуха.
Диполярная природа молекулы воды
Важной особенностью молекулы воды является ее полярная природа.В молекула воды образует угол с атомами водорода на кончики и кислород в макушке. Поскольку кислород имеет более высокое электроотрицательность, чем водород, сторона молекулы с атомом кислорода имеет частичный отрицательный заряд. Молекула с такой разностью зарядов называется диполем. Заряд различия заставляют молекулы воды притягиваться к каждому другие (относительно положительные области, привлекающие относительно отрицательные области) и другим полярным молекулам.Это притяжение известно как водород. склеивание.
водородная связь между двумя молекулами воды
Это относительно слабое (по сравнению с ковалентными связями внутри молекула воды) притяжение приводит к физическому такие свойства, как относительно высокая температура кипения, потому что необходимо много тепловой энергии, чтобы расщепить водород связи между молекулами.Например, сера — это элемент ниже кислорода в периодической таблице и его эквивалентное соединение, сероводород (H 2 S) не содержит водорода связей, и хотя его молекулярная масса в два раза больше, чем у воды, это газ при комнатной температуре. Дополнительная связь между молекулы воды также придают жидкой воде большую удельную теплоемкость.
Водородная связь также придает молекулам воды необычное поведение при замерзании.Как и большинство других материалов, жидкость с понижением температуры уплотняется. Однако в отличие от большинство других материалов при охлаждении почти до точки замерзания наличие водородных связей означает, что молекулы, поскольку они перестраиваются, чтобы минимизировать свою энергию, образуют структуру это на самом деле имеет более низкую плотность: следовательно, твердая форма, лед, будет плавать в воде. Другими словами, вода расширяется как он замерзает (большинство других материалов сжимаются при затвердевании).Жидкая вода достигает максимальной плотности при температуре 4 ° С. Это имеет интересное последствие для жизни в воде. зимой. Вода, охлажденная на поверхности, становится более плотной и раковины, образуя конвекционные потоки, которые охлаждают всю воду тела, но когда температура воды в озере достигает 4 ° C, вода на поверхности по мере дальнейшего охлаждения становится на менее плотной и остается поверхностным слоем, который в конечном итоге образует лед.Поскольку нисходящая конвекция холоднее вода блокируется изменением плотности, любое большое тело вода, замерзшая зимой, будет иметь большую часть воды жидкость при 4 ° C под ледяной поверхностью, позволяя рыбе выживать. Это один из основных примеров тонко настроенного физические свойства, поддерживающие жизнь на Земле, которая используется как аргумент в пользу антропного принципа.
Другой Следствием этого является то, что лед тает, если приложить достаточное давление.
Структура воды и льдаВыше показано сравнение бок о бок шириной 10 ангстрем. Это ясно показывает, что лед занимает больше места из-за водородной связи, которая возникает, когда состояние изменяется с жидкого на твердое. Во льду Ih каждая вода образует четыре водородные связи с расстоянием O — O 2,76 ангстрем до ближайшего кислородного соседа. Из-за упорядоченной структуры льда в данном пространстве объема меньше h30 молекул.
Вода в качестве растворителя
Вода также является хорошим растворителем благодаря своей полярности. Растворитель свойства воды жизненно важны в биологии, потому что многие биохимические реакции происходят только в водных растворах (например, реакции в цитоплазме и крови). Кроме того, вода используется для транспортировки биологических молекул.
Когда ионное или полярное соединение попадает в воду, оно окружается молекулами воды.Относительно небольшой размер молекул воды обычно позволяет много молекул воды, чтобы окружить одну молекулу растворенного вещества . Частично отрицательные диполи воды притягиваются к положительно заряженным компонентам растворенное вещество, и наоборот для положительных диполей.
Обычно ионные и полярные вещества, такие как кислоты, спирты, и соли легко растворимы в воде, а неполярные вещества например жиры и масла нет.Неполярные молекулы остаются вместе в воде, потому что она энергетически более благоприятна для молекулы воды к водородной связи друг с другом, чем участвовать во взаимодействиях Ван-дер-Ваальса с неполярными молекулами.
Примером ионного растворенного вещества является поваренная соль; натрий хлорид NaCl разделяется на катионы Na + и Cl — анионы, каждый из которых окружен молекулами воды.Затем ионы легко уносятся от своих кристаллических решетка в раствор. Пример неионного растворенного вещества: столовый сахар. Водородная связь диполей воды с диполями области молекулы сахара и позволяют переносить прочь в раствор.
Сплоченность и поверхностное натяжение
Прочные водородные связи придают воде высокую когезионную способность и, следовательно, поверхностное натяжение.Это очевидно, когда небольшое количество воды попадает на нерастворимую поверхность и вода остается вместе как капли. Эта особенность важна когда вода проходит через ксилему вверх по стеблям растений; сильные межмолекулярные притяжения удерживают толщу воды вместе и предотвратить напряжение, вызванное транспирацией. Другие жидкости с более низким поверхностным натяжением будут иметь более высокое склонность к «разрыву», образованию вакуумных или воздушных карманов и рендерингу сосуд ксилемы не работает.
Электропроводность
Чистая вода — хороший изолятор (плохой проводник), это означает, что он плохо проводит электричество. Потому что вода является таким хорошим растворителем, однако в ней часто есть растворенное в нем растворенное вещество, чаще всего соль. Если в воде есть такие примеси, то он может намного лучше проводить электричество, поскольку примеси, такие как соль, содержат свободные ионы в водной раствор, по которому может течь электрический ток.
Электролиз
Воду можно разделить на составные элементы, водород. и кислород, пропуская через него ток. Этот процесс называется электролизный . Молекулы воды естественно диссоциировать на ионы H + и OH —, которые притягиваются к катоду и аноду соответственно. На катоде два иона H + захватывают электроны. и сформируем газ H 2 .На аноде четыре иона OH — объединяются и выделяют газ O 2 , молекулярную воду, и четыре электрона. Газы подняли пузырьки на поверхность, где их можно собрать.
Реакционная способность
По химическому составу вода амфотерна: может действовать как кислота. или база. Иногда используется термин гидроксиковая кислота . используется, когда вода действует как кислота в химической реакции.При pH 7 (нейтральный) концентрация гидроксид-ионов (OH — ) совпадает с таковым из гидрокония (H 3 O + ) или ионы водорода (H + ) ионы. Если равновесие нарушается, раствор становится кислым (более высокая концентрация ионов гидроксония) или основного (более высокая концентрация гидроксида ионы).
Вода может действовать как кислота. или основание в реакциях.Согласно системе Бренстеда-Лоури, кислота определяется как разновидность, которая отдает протон (ион H +) в реакции, и основание как единое целое который получает протон. При реакции с более сильной кислотой вода действует как основание; при взаимодействии с более слабой кислотой действует как кислота. Например, он получает ион H + из HCl в равновесии:
HCl + H 2 O —> H 3 O + + Cl —
Здесь вода действует как основание, получая ион H +.Кислота отдает ион H +, и вода тоже может это делать, например, в реакции с аммиаком, Nh4:
NH 3 + H 2 O —> NH 4 + + OH —
pH на практике
В Теоретически чистая вода имеет pH 7. На практике чистую воду очень трудно производить. Вода, оставленная на воздухе в течение любого промежутка времени, быстро растворяется. углекислый газ, образующий раствор угольной кислоты с предельным значением pH ~ 5.7 (ссылка: Kendall, J. (1916), Journal of the American Chemical Society 38 (11): 2460-2466).
Очищение вода
Очищенная вода необходима для многих промышленных применений, а также по расходу. Людям нужна вода, которая не содержать слишком много соли или других примесей. Общие примеси включают химические вещества или вредные бактерии.Некоторые растворенные вещества приемлемо и даже желательно для улучшения ощущаемого вкуса. Вода, пригодная для питья, называется питьевой. вода .
Шесть популярных методов вода очищающая:
- Фильтрация : Вода проходит через сито, улавливающее мелкие частицы. Чем плотнее размер ячейки сита, тем меньше должны быть частицы, чтобы пройти через.Фильтрации недостаточно, чтобы полностью очищать воду, но часто это необходимый первый шаг, поскольку такие частицы могут мешать более тщательному методы очистки.
- Кипячение : Вода нагревается до кипения. точка достаточно длинная, чтобы инактивировать или убить микроорганизмы которые обычно живут в воде комнатной температуры. В областях где вода «жесткая» (содержит растворенный кальций соли), при кипячении разлагается бикарбонат-ион, в результате чего в некоторой части (но не во всем) осаждаемого растворенного кальция в виде карбоната кальция.Это так называемый «мех», который накапливается на элементах чайника и т. д. в жесткой воде области. За исключением кальция, кипячение не удалить растворенные вещества с более высокой температурой кипения, чем вода, и фактически увеличивает их концентрацию (за счет воды теряется как пар)
- Уголь фильтрующий : Уголь древесный, форма углерода с большой площадью поверхности из-за его режима препарат, адсорбирует многие соединения, в том числе некоторые токсичные соединения.Вода пропускается через активированный уголь удалить такие загрязнения. Этот метод чаще всего используется в бытовых фильтрах для воды и аквариумах. Семья фильтры для питьевой воды иногда также содержат серебро, следовые количества ионов серебра, обладающих бактерицидным действием.
- Дистилляция : Дистилляция включает кипячение вода для производства водяного пара. Тогда водяной пар поднимается на охлаждаемую поверхность, где может снова конденсироваться в жидкость и собираться.Потому что растворенные вещества не обычно испаряются, они остаются в кипящем растворе. Даже дистилляция не очищает воду полностью, потому что загрязняющих веществ с аналогичными точками кипения и капель неиспарившейся жидкости, переносимой паром. Однако, Чистая вода 99,9% может быть получена путем дистилляции.
- Обратный осмос : Механическое давление применяется к нечистому раствору, чтобы протолкнуть чистую воду полупроницаемая мембрана.Срок службы обратного осмоса , потому что нормальный осмос приведет к перемещению чистой воды в другом направлении, чтобы разбавить примеси. Задний ход осмос теоретически является наиболее тщательным методом крупномасштабного возможна очистка воды, но идеально полупроницаемая мембраны сложно создать. на бирже хроматография : В этом случае вода пропускается через заряженную колонку смолы, имеющую боковые цепи, которые улавливают ионы кальция, магния и других тяжелых металлов.В во многих лабораториях этот метод очистки заменил дистилляции, так как она обеспечивает большой объем очень чистого поливать быстрее и с меньшим потреблением энергии, чем другие процессы. Очищенная таким образом вода называется деионизированной . вода .
Слив воды
Расточительная вода — злоупотребление водой, т. Е. используя его без надобности.Пример — использование воды, особенно вода, очищенная до безопасных для человека стандартов питья, в ненужном орошении. Также в домах вода может быть потрачено впустую, если унитаз смывается без надобности или бак утечки. Загрязнение воды может быть самым большим разовое злоупотребление водой. В той мере, в какой загрязняющее вещество ограничивает другие способы использования воды, она становится пустой тратой ресурса, независимо от выгод для загрязнителя.
Мифология
Вода — один из четырех классических элементов наряду с огонь, земля и воздух, и считался илем, или основным материал вселенной. Вода считалась холодной и влажной. В теории четырех телесных жидкостей вода ассоциировалась с с мокротой. Вода также была одним из пяти элементов в Китайский даосизм наряду с землей, огнем, деревом и металлом.
Вода права и развитие
Доклад ЮНЕСКО о мировом развитии водных ресурсов (WWDR, 2003 г.) из его Программа оценки водных ресурсов мира указывает, что в следующие 20 лет мир столкнется с беспрецедентной нехваткой питьевой воды. Количество воды, доступной каждому прогнозируется снижение на 30%. Причины — заражение, глобальное потепление и политические проблемы.Более 2,2 миллиона люди умерли в 2000 году от болезней, связанных с употреблением загрязненной воды. В 2004 году британская благотворительная организация WaterAid сообщил, что каждые 15 секунд умирает ребенок из-за легкого предотвратимые болезни, связанные с водой. большие глобальные диспропорции в необработанном объеме доступных вода: от 10 м3 на человека в год в Кувейте до 812,121 м³ во Французской Гвиане.Однако более богатые страны, такие как Кувейт легче справляется с низкой доступностью воды. в Водное право США разделено на две правовые доктрины: прибрежные права на воду, используемые в восточной и южной штаты, где есть изобилие воды и присвоение доктрина (или доктрина Колорадо), используемая в засушливых западных состояния.
Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.
Настройка вашего браузера для приема файлов cookie
Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:
- В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
- Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
- Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
- Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
- Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.
Почему этому сайту требуются файлы cookie?
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.
Что сохраняется в файле cookie?
Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.
Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.
Молекулярная физика и астрофизика
Молекулярная физика и астрофизикаОдно из наших исследовательских интересов — молекула воды H 2 O в различных среды и ее взаимодействие с излучением.Молекула воды построена от одного атома кислорода и двух атомов водорода. Молекула имеет три степени колебательная и вращательная свобода. Три цифры ниже показывают 3 возможные колебательные движения. Они имеют маркировку v 1 , v 2 и v 3 и часто называются нормальными режимами колебание молекулы. На рисунках также показана энергия одного кванта вибрация.
| Режим симметричного растяжения, v 1 3657 см -1 | Режим гибки, v 2 1595 см -1 | Асимметричный режим растяжения, v 3 3756 см -1 |
Нормальные режимы предполагают участие всех частей молекулы.А колебание, локализованное в одинарной связи ОН, называется локальной модой. Это дает лучшая модель для высоких уровней возбуждения, чем модель нормального режима. В переход из нормального режима в локальный является проявлением перемешивания между колебательными состояниями, что также приводит к концепции полиад.
Когда два режима близки по энергии, они могут смешиваться. Энергия для Режим v 3 составляет примерно половину энергии режима v 1 и v 2 режима . Таким образом, 2n квантов изгиба могут смешаться с n квантами растяжения.В Число n называется числом полиада . полиада — это группа состояния, близкие по энергии.
Но молекула не может только колебаться. Это может также повернуть. Для описания всех возможных вращений молекулы воды нам понадобится определить 3 оси вращения. По соглашению оси помечены так, чтобы постоянная вращения A наибольшая, а C наименьшая.
| Ось вращения A | Ось вращения B | Ось вращения C |
Молекула воды — это асимметричная молекула сверху.Отсюда вырождение в колебательные и вращательные состояния снимаются, что приводит к появлению многих разрешенных переходы. Это приводит к появлению спектров, которые практически невозможно различить. структура.
Группа использовала вариант методы анализа спектров солнечных пятен и лабораторные спектры излучения. Эта работа значительно расширила наши знания о воде. молекула. На следующем изображении показан один из этих спектров с некоторыми идентифицированными переходы.
Пятна — центры интенсивной солнечной магнитной активности.Они есть значительно холоднее, чем окружающие области атмосферы Солнца, и поэтому выглядят как темные пятна на поверхности Солнца. У них также более сложные спектры, чем у основное тело солнца. На двух изображениях ниже показано солнце с пятнами и пятно. крупный план.
| Солнце с пятнами Щелкните для увеличения изображения (6K) | Солнечное пятно крупным планом. Нажмите, чтобы увеличить (77K) |
Температура атмосферы Солнца составляет около 5500 ° C.Напротив, солнечные пятна имеют температуру около 3000 ° C. Следовательно, для разных регионов В атмосфере солнца происходит изменение химии. При 5500 ° C только просто могут образовываться две атомные молекулы. Остальные разнесены вторым они сформированы. Одной из стабильных молекул в этой среде является ОН радикальный, что довольно часто встречается в солнечной атмосфере. В более прохладных регионах H 2 Молекулы O могут образовываться из радикалов ОН. При ~ 3700 ° C половина Радикалы ОН превратились в молекулы воды.
Спектры горячей воды сильно отличаются от спектра холодного водяного пара, обнаруженного в Атмосфера Земли.Это позволяет астрономам наблюдать спектры горячей воды через окна в атмосфера Земли. Астрономы маркируют эти окна разными письма. Особенно нас интересует N-окно (10-20 мкм). Здесь чисто вращательное переходы горячей воды происходят и могут быть исследованы. Ты можешь найти некоторые из наших данных о воде в нашем ftp-архиве ftp.tampa.phys.ucl.ac.uk/pub/water
Исследования горячей воды предназначены для использования во многих других областях исследований. В В следующем списке дается краткий обзор некоторых приложений.
Отслеживайте и оптимизируйте работу двигателей внутреннего сгорания.
Обнаружены выбросы горячей воды от лесных пожаров за что дают четкую подпись. Это можно использовать для систем раннего предупреждения с использованием спутников.
Слежение за судами, самолетами, вертолетами и танками с помощью их горячего выброс воды из выхлопных газов.
В астрономии водяной пар является важнейшим поглотителем инфракрасной звезды свет в атмосфере насыщенных кислородом холодных звезд.
Атмосферные аномалии и модификация атмосферных моделей.
Для получения дополнительной информации см.
h3O Структура Льюиса, молекулярная геометрия и гибридизация
h3O — это молекулярная формула воды, одного из основных компонентов Земли. Одиночная молекула состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, которые связаны ковалентной связью. Более того, две или более молекулы h3O соединяются с помощью водородных связей, образуя соединение.
Интересно осознать, что ковалентные связи сильнее водородных, поэтому вода легко вступает в реакцию с большинством химических элементов периодической таблицы.
Структура Льюиса, или также называемая структурой электронных точек, представляет собой схематическое представление определения общего числа валентных электронов, присутствующих в атоме, которые готовы к образованию связи с образованием молекулы и, в конечном итоге, соединения.
Валентные электроны показаны точками вокруг символа атома, в основном парами.
Согласно правилу октетов, максимальное количество точек, которое можно нарисовать, составляет восемь на атом. Причем образование связи за счет реагирующих валентных электронов показано линиями.
Атомный номер атома водорода равен единице, что составляет его электронную конфигурацию 1s1. Так как оболочка 1s может вместить максимум два электрона, не хватает еще одного электрона.
Он заставляет один атом водорода иметь один валентный электрон.
Кроме того, в случае кислорода его электронная конфигурация 1s2 2s2 2p4, где 2p-оболочка может вместить шесть электронов.
Поскольку не хватает двух электронов, общее количество валентных электронов в атоме кислорода равно шести.
Что такое валентные электроны?
Валентные электроны — это «свободные электроны», находящиеся во внешней оболочке атома. Ядро слабо удерживает внешнюю оболочку, так как она находится дальше всего на расстоянии.
Более того, если валентные электроны не спарены, они становятся высоко реактивными по своей природе, принимая или отдавая электроны для стабилизации его внешней оболочки.
Интересно понять, что чем больше количество валентных электронов, тем сильнее будет способность принимать электроны.
Принимая во внимание, что чем меньше количество валентных электронов, тем сильнее будет способность атома отдавать их.
Что такое правило октетов?
Согласно правилу Октета, максимальное количество валентных электронов, которое может иметь атом, равно восьми. Более того, эти восемь электронов нарисованы только вокруг символа атома в структуре Льюиса.
В кислороде не хватает двух валентных электронов. Между тем, у двух атомов водорода всего не хватает двух валентных электронов.
Структура Льюиса h3O нарисована таким образом, что дефицит каждого атома восполняется.
Структура Льюиса h3O
Структура Льюиса из водорода и 2 атомов кислорода показывает, что всего восемь валентных электронов участвуют в образовании связи с образованием единой трехатомной молекулы h3O.
Здесь нам нужно понять, как строится структура Льюиса для молекулы h3O:
- Найдите общее количество валентных электронов: их восемь, чтобы образовать одну молекулу h3O.
- Посмотрите, сколько электронов необходимо: по правилу октетов это четыре на одну молекулу воды (h3O).
- Найдите общее количество образующихся связей: Одинарные ковалентные связи между каждым атомом кислорода и водорода.
- Выберите центральный атом: атом кислорода будет центральным атомом
- Нарисуйте диаграмму Льюиса:
Геометрическая структура молекулы h3O
Валентный угол между атомами водород-кислород-водород (H-O-H) равен 104.5 °. Из этого можно понять, что геометрическая структура одиночной молекулы h3O искривлена.
Это объясняется с помощью теории отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR), которая объясняет, почему, независимо от наличия двух пар неподеленных электронов на атоме кислорода, валентный угол уменьшается до 104,5 °.
Идеальный валентный угол для изогнутой молекулы составляет 109,5 °.
Согласно структуре Льюиса, когда все валентные электроны вокруг атома не спарены, существует неподеленная пара.
Аналогичным образом обстоит дело с атомом кислорода в молекуле h3O, где существуют две неподеленные пары.
Эти неподеленные пары искажают угол связи из-за того, что неподеленная пара-неподеленная пара больше, чем отталкивание пары связь-пара и неподеленная пара-пара связи.
Когда неподеленная пара увеличивается, угол связи уменьшается. Поскольку на атоме кислорода есть две неподеленные пары, это уменьшает валентный угол до 104,5 °.
Гибридизация молекулы h3O
Связь между каждым атомом кислорода и водорода в молекуле воды сигма (σ) без пи (π) связей.
Как известно, сигма (σ) -связи являются самыми прочными ковалентными связями. В результате между кислородом и атомом водорода существует высокая стабильность.
Все дело в двух неподеленных парах атома кислорода. Гибридизация молекулы воды (h3O) — это sp3, где ее кислород был гибридизован.
Согласно диаграмме, можно проанализировать, что единственный атом кислорода в молекуле воды (h3O) имеет одну 2s-орбиталь и три 2p-орбитали. Эти четыре вместе приводят к образованию четырех гибридизованных орбиталей sp3.
Это приводит к образованию тетраэдрической изогнутой геометрии, где общая молекула h3O показывает 25% характеристик s и 75% характеристик p-орбитали.
Это можно объяснить с помощью диаграммы молекулярных орбиталей молекулы h3O.
2s-орбиталь и три 2p-орбитали атома кислорода образуют четыре новых гибридных орбитали, которые в дальнейшем связываются, перекрываясь с 1s-орбиталью атомов водорода.
Молекулярная орбитальная диаграмма воды (h3O)
Диаграмма молекулярных орбиталей — это графическое изображение определения химической связи между молекулами соединения.
Кроме того, диаграмма молекулярных орбиталей помогает определить, как были образованы две сигма-связи и влияние неподеленных пар на структуру.
Из приведенной выше диаграммы видно, что шесть валентных электронов связаны с 1s-орбитальными электронами атома водорода.
Смешивание и перекрытие происходит среди атомных орбиталей схожей энергии.
Это происходит таким образом, что связывающие электроны с более низкой энергией образуют разрыхляющие молекулярные орбитали с более высокой энергией.
Левые электроны кислорода больше не перекрываются из-за недостатка электронов.
Электроотрицательность атома кислорода выше, чем у водорода. Из-за этого кислород имеет более высокий отрицательный заряд, а водород — положительный. Это заставляет кислород притягивать соседние электроны и в конечном итоге образовывать связь.
С другой стороны, водород не реагирует с соседними молекулами, поскольку он уже выполнил свою орбиталь и связан с кислородом через сигма-связь, которую нелегко разорвать.
Это приводит к формированию полярности в молекуле h3O, независимо от наличия чистого нейтрального заряда.
Вы также можете прочитать интересную статью о полярности в воде.
Заключение
Структура Льюиса трехатомной молекулы h3O показывает две одинарные сигма-связи между атомом кислорода и атомами водорода. Более того, эти связи оставляют две неподеленные пары электронов на атоме кислорода, что в основном способствует тетраэдрической изогнутой геометрической структуре молекулы h3O.
По этой причине угол связи, который должен был составлять 109,5 °, составляет 104,5 °. Гибридизация молекулы h3O является sp3, потому что она имеет одну s-орбиталь и три p-орбитали, которые смешиваются с образованием четырех гибридных орбиталей.
Тайна, искусство и наука о воде: химический состав воды: структура
Вода — это химическое вещество !?
Верно! Вода — одно из самых распространенных химических веществ. Его химическая формула, h30, вероятно, самая известная из всех химических формул.Что нам говорит химическая формула?
Формула h30 говорит нам, что одна молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, связанных вместе. Связи, которые удерживают водород и кислород вместе, называются ковалентными связями — они очень прочные.
Давайте посмотрим на изображение молекулы воды: на этом рисунке два атома водорода представлены белыми сферами, а кислород — красной сферой.
ИСТОЧНИК ИЗОБРАЖЕНИЯ: «Химия и жизнь», 4-е издание, Джон У. Хилл, Дороти М. Фейгл и Стюарт Дж. Баум, Macmillan Publishing Company, Нью-Йорк, 1993
На этом втором изображении водород показаны белыми сферами, а oygen — красной сферой. «Палочки», удерживающие водород по отношению к кислороду, представляют собой ковалентные связи.
Почему молекула воды выглядит изогнутой?
Молекула воды сохраняет изогнутую форму (угол 107.На самом деле 5 градусов) по двум причинам. Во-первых, тетраэдрическое расположение вокруг кислорода и, во-вторых, наличие неподеленных пар электронов на кислороде.
Что такое электроны с неподеленной парой? Это электроны, не участвующие в ковалентных связях. Пары электронов остаются в покое. На нашем рисунке они представлены двойными точками. Эти неподеленные пары очень отрицательны — каждая из них содержит по два отрицательных электрона — и хотят держаться друг от друга как можно дальше.Эти силы отталкивания сближают атомы водорода.
Вы сказали «Тетраэдр» — Что это значит?
Тетраэдр означает «четырехгранный». В химии мы интерпретируем это в нашем воображении. Нарисуйте центральный атом в воображаемом пространстве. Затем поместите атомы, прикрепленные к центральному атому, вокруг него так, чтобы расстояние между ними было максимальным. Расположение, которое вы примете, будет иметь форму правильного тетраэдра.Эта молекулярная форма показана ниже. Он имеет регулярные валентные углы 109,5
ИСТОЧНИК ИЗОБРАЖЕНИЯ: «Химия и жизнь», 4-е издание, Джон У. Хилл, Дороти М. Фейгл и Стюарт Дж. Баум, Macmillan Publishing Company, Нью-Йорк, 1993
Если мы сделаем аналогичное расположение воды, поместив кислород в центр и используя два атома водорода и две неподеленные пары по углам, мы также получим тетраэдрическое расположение. Однако есть одно важное отличие — валентные углы для воды не равны 109.5. Из-за наличия очень отрицательных электронов неподеленной пары два атома водорода сжимаются вместе, поскольку две неподеленные пары пытаются уйти друг от друга как можно дальше. Полученный угол дает воде валентный угол 104,5. Поскольку мы не «видим» электроны, полученный тетраэдр «выглядит» ИЗогнутым!
ИСТОЧНИК ИЗОБРАЖЕНИЯ: «Химия и жизнь», 4-е издание, Джон У. Хилл, Дороти М. Фейгл и Стюарт Дж. Баум, Macmillan Publishing Company, Нью-Йорк, 1993
В чем твоя точка? Как и многое другое в химическом мире, форма и структура молекулы являются важным фактором, определяющим ее функцию.Важность изогнутой структуры воды состоит в том, что она дает воде две различные «стороны»: одна сторона молекулы воды имеет две отрицательные неподеленные пары, а другая сторона представляет два атома водорода. Давайте еще раз посмотрим: [рис. карты электронной плотности воды]
Вода из-за этого необычная?
ДА! Но не только изгиб молекулы делает ее особенной. Вода также очень полярна — две стороны воды имеют очень разный заряд.Одинокие пары отрицательны. Положительные ли атомы водорода ? Атомы водорода являются слегка положительными атомами водорода . Это происходит из-за «электроотрицательности» кислорода. Электроотрицательность — это мера того, насколько один атом хочет иметь электронов, а кислород хочет иметь электронов больше, чем водород. Кислород имеет более высокую электроотрицательность. Из-за этой разницы в электроотрицательности электроны в ковалентных связях между кислородом и водородом слегка притягиваются к кислороду.Это оставляет водород немного электронодефицитным и, следовательно, слегка положительным. Мы можем нарисовать эту поляризацию так:
ИСТОЧНИК ИЗОБРАЖЕНИЯ: «Химия в контексте» Wm C. Brown Publishers, Dubuque Iowa, 2-е издание, проект Американского химического общества, изд .: А. Трумэн Шварц и др., 1997, глава 5 «Чудо воды»
Или посмотрите на это с точки зрения «чистой поляризации», например:
ИСТОЧНИК ИЗОБРАЖЕНИЯ: «Химия и жизнь», 4-е издание, John W.Хилл, Дороти М. Фейгл и Стюарт Дж. Баум, Macmillan Publishing Company, Нью-Йорк, 1993
Какое отношение поляризация имеет к свойствам воды?
Все! Поскольку вода имеет слегка отрицательный конец и слегка положительный конец, она может взаимодействовать сама с собой и образовывать высокоорганизованную «межмолекулярную» сеть. Положительный водородный конец одной молекулы может благоприятно взаимодействовать с отрицательной неподеленной парой другой молекулы воды.Это взаимодействие называется «водородной связью». Это тип слабого электростатического притяжения (от положительного к отрицательному). Поскольку каждая из молекул воды может образовывать четыре водородные связи, образуется сложная сеть молекул.ИСТОЧНИК ИЗОБРАЖЕНИЯ: «Химия в контексте» Wm C. Brown Publishers, Dubuque Iowa, 2-е издание, проект Американского химического общества, изд .: А. Трумэн Шварц и др., 1997, глава 5 «Чудо воды»
Но если водородные связи слабые, как они могут быть важны? Подумайте, сколько их! В числах сила!
Полярность также позволяет воде взаимодействовать с электрическим полем:
И взаимодействовать с другими полярными молекулами — так вещества растворяются в воде.
ИСТОЧНИК ИЗОБРАЖЕНИЯ: «Химия в контексте» Wm C. Brown Publishers, Dubuque Iowa, 2-е издание, проект Американского химического общества, изд .: А. Трумэн Шварц и др., 1997, глава 5 «Чудо воды»
молекул воды, все еще окутанных тайной
Причины для дальнейшего изучения структуры воды
Вода нам хорошо знакома, а ее простая молекулярная структура, H 2 O, хорошо известна даже ученикам младших классов.Хотя трудно поверить, что состояние воды еще полностью не выяснено, вода по-прежнему окутана тайной. Хотя люди склонны думать, что научные исследования направлены только на неизвестные и новые явления, важной задачей научных исследований является попытка найти и прояснить загадочные явления в обычных веществах, таких как вода и лед. Вы можете быть удивлены, узнав, что структура воды изучается в SPring-8, одном из ведущих мировых центров оптических исследований.Однако для проведения такого исследования есть веские причины. Вы когда-нибудь задумывались, где лед хранит огромное количество энергии холода (энергии для охлаждения объектов), почему плотность воды максимальна при 4 ° C и уменьшается как ниже, так и выше 4 ° C, или почему плотность твердого льда ниже? чем у жидкой воды? Чтобы ответить на эти вопросы, важно прояснить структуру воды, вопрос, который до сих пор вызывает споры. Недавно на СПринг-8 был проведен структурный анализ воды и льда, и были обнаружены некоторые новые факты, которые могут привести к разрешению некоторых давних споров о природе воды.
Водородная связь между молекулами воды
Есть шесть электронов на внешней орбитали атомов кислорода и один электрон на орбитали атомов водорода (рис. 1). Когда атом кислорода и два атома водорода связываются, образуя молекулу воды (H 2 O), атомы водорода делят свой единственный электрон с орбиталью атома кислорода, но также разделяют электрон с атомом кислорода, таким образом образуя прочную связь. Атомы водорода и кислорода стабилизируются, когда их внешние орбитали заполнены двумя и восемью электронами соответственно.Следовательно, между двумя атомами водорода и атомом кислорода образуются прочные связи, называемые ковалентными связями. Таким образом, атомы водорода и кислорода образуют стабильную структуру, разделяя свои электроны.
Индивидуальные молекулы H 2 Считается, что молекулы O существуют независимо и стабильно, поэтому почему они образуют твердые кристаллы (лед) или жидкость с максимальной плотностью при 4 ° C (вода)? Считается, что ключом к раскрытию этой тайны является водородная связь, механизм взаимного притяжения между молекулами H 2 O.Поскольку электроны в двух атомах водорода притягиваются к атому кислорода ковалентной связью, сторона атома водорода, противоположная ковалентной связи, заряжена слегка положительно, тогда как оставшиеся четыре электрона на внешней орбитали атомов кислорода, которые являются не используются в ковалентных связях, образуют две неподеленные пары и имеют отрицательный заряд (рис. 2). Таким образом, две положительно заряженные стороны атомов водорода в молекуле H 2 O притягивают отрицательно заряженные неподеленные пары в двух других молекулах H 2 O, тогда как две отрицательно заряженные неподеленные пары притягивают положительно заряженные стороны водорода. атомов в двух других молекулах H 2 O.Образованные таким образом связи называются водородными связями (рис. 3), и их сила связи оценивается примерно в одну десятую от прочности ковалентных связей.
Вышеупомянутый механизм означает, что молекула H 2 O может притягивать четыре других молекулы H 2 O вокруг себя. Легко представить пять молекул H 2 O, размещенных в четырех вершинах и центре правильного тетраэдра. Такие базовые структуры расположены регулярно, образуя кристаллы, то есть лед. Традиционно состояние связи между молекулами H 2 O во льду и их функции было трудно непосредственно наблюдать, и поэтому они анализировались с помощью моделирования молекулярной динамики, а именно путем моделирования взаимного взаимодействия между виртуальными атомами и его механизма с помощью компьютера.Однако недавно ученым удалось напрямую наблюдать структуру и функции льда в эксперименте по высокоточному комптоновскому рассеянию с использованием канала высокоэнергетического неупругого рассеяния (BL08W) на SPring-8, подтвердив точность моделирования молекулярной динамики.
Комптоновское рассеяние используется для изучения закономерностей движения электронов в целевых молекулах и атомах путем измерения разницы в энергии фотонов до и после столкновения рентгеновских частиц (фотонов) с электронами, а затем их рассеяния.В вышеупомянутом исследовании было разъяснено, что часть холодной энергии во льду хранится в сетевой структуре, в которой прочность связи молекул H 2 O увеличивается с понижением температуры, а оставшаяся энергия сохраняется в виде вибрации. энергия молекул H 2 O. Ожидается, что это фундаментальное исследование внесет вклад в разработку теплоаккумулирующих материалов и проясняет характеристики теплоемкости новых материалов в будущем. Оно было опубликовано в ведущем научном журнале США.
fig1．Схема атомов водорода и кислорода
fig2．Схема молекулы H 2 O и ковалентных связей
fig3．Схема четырех водородных связей H 2 молекулы O
Атомы водорода, ковалентно связанные с сильно электроотрицательными атомами, такими как атомы кислорода и азота, заряжены слегка положительно, потому что электроны атомов водорода притягиваются к электроотрицательным атомам.Это позволяет образовывать слабые связи с неподеленными парами в соседних молекулах воды с силой связи примерно в одну десятую от силы ковалентных связей. Эти связи называются водородными связями. В случае молекул H 2 O два из шести валентных электронов в атомах кислорода участвуют в двух связях ОН, а оставшиеся четыре валентных электрона образуют две неподеленные пары, что позволяет образовать в общей сложности четыре атома водорода. связи с соседними молекулами воды.
Загадочная структура воды
В 1892 году Рентген, открывший рентгеновские лучи и получивший первую Нобелевскую премию по физике, предложил модель воды, в которой ледоподобная структура и неизвестная структура смешиваются с образованием воды.Однако в 1933 году, после исследования данных дифракции рентгеновских лучей для воды, профессора Кембриджского университета предложили теоретическую модель воды, в которой структура льда состоит из молекул H 2 O, расположенных в четырех вершинах и центре правильного тетраэдра. , постоянно искажается, образуя воду. Эта модель не была общепринятой, но была поддержана многими учеными, поскольку подтверждающие результаты были получены в ходе различных последующих спектроскопических анализов и трехмерного моделирования молекулярной динамики, выполненных с использованием компьютеров, производительность которых быстро улучшалась с 1980-х годов.
В 2008 году Такаси Токусима, научный сотрудник RIKEN, и его коллеги проанализировали структуру воды с помощью мягкого рентгеновского излучения высокой яркости от RIKEN Physical Science III Beamline (BL17SU) и спектрометра мягкого рентгеновского излучения с мировым исследованием. с высочайшим разрешением, оснащенный недавно разработанным специальным контейнером (жидкостной проточной ячейкой) с окнами из прочных тонких пленок толщиной 150 нм с высоким коэффициентом пропускания мягкого рентгеновского излучения. Когда электрон вытесняется с внутренней орбитали атома кислорода, ковалентно связанного с атомами водорода при облучении мягким рентгеновским излучением, электрон с внешней орбитали перемещается на внутреннюю орбиталь, чтобы занять положительно заряженное свободное положение (дырку).В это время энергия, соответствующая разнице между энергией электрона на внутренней и внешней орбиталях, высвобождается в виде мягких рентгеновских лучей. Следовательно, мы можем определить состояние неподеленных пар, исследуя различия в распределении энергии испускаемого мягкого рентгеновского излучения (энергетический спектр). Это принцип структурного анализа воды методом мягкой рентгеновской эмиссионной спектроскопии (рис. 4). При исследовании мягким рентгеновским излучением спектра воды (жидкости) этим методом наблюдаются два пика интенсивности, соответствующие неподеленным парам, участвующим в водородных связях (рис.5). Это открытие предполагает, что одновременно существуют два состояния воды с разными типами водородных связей. Чтобы более точно изучить это открытие, ученые проанализировали структуру воды, используя различные методы, например, анализ малоуглового рассеяния рентгеновских лучей, метод наблюдения тонких структур путем анализа картины рассеяния рентгеновских лучей, которые рассеиваются с помощью малый угол при облучении материала рентгеновскими лучами и комбинационное рассеяние рентгеновских лучей для наблюдения молекулярных орбиталей без электронов.
Приведенный выше анализ выявил весьма неожиданную для воды структуру. В отличие от традиционно принятой модели, в которой упорядоченная структура льда непрерывно и постепенно искажается, чтобы сформировать однородную структуру воды, вода, по-видимому, имеет относительно большой разброс плотности (плотный / тонкий), а именно, ледоподобные упорядоченные структуры (с низкая плотность) редко распределены в высокоплотном «море» молекул H 2 O, которые искажены из-за разрыва водородных связей, что приводит к образованию тонкой структуры, напоминающей горошек (рис.5). Было также обнаружено, что изменение плотности становится небольшим при высоких температурах и большим при низких температурах. Из-за этого открытия необходимо переоценить модель, предложенную Рентгеном. С тех пор, как результаты были опубликованы в американском научном журнале, прозвучали призывы изменить новую модель воды на основе моделирования молекулярной динамики, и оживленные дебаты о природе воды все еще продолжаются. Плотность льда ниже, чем у воды, и плотность воды, наибольшая при 4 ° C, теперь, по-видимому, частично объясняется рассмотрением межмолекулярного расстояния и среднего числа молекул H 2 O, окружающих H 2 O молекула (номер расположения).Однако до сих пор остается много неясных механизмов, например, скорость изменения между двумя состояниями воды и то, как на эту скорость влияет растворение вещества в воде. Таким образом, загадки воды до сих пор полностью не выяснены.
Вы можете быть удивлены, узнав, что вышеупомянутые фундаментальные исследования воды необходимы для выяснения механизма, лежащего в основе растворения веществ в воде, и роли воды в биологических организмах и химических реакциях.Однако, например, для выяснения функций биологических клеток, содержащих воду с различными ионами, необходимо полностью понимать структуру воды и состояния соответствующих электронов. Таким образом, ожидания того, что SPring-8 станет мировым лидером в фундаментальных исследованиях воды, растут.
fig4．Схема мягкой рентгеновской эмиссионной спектроскопии
fig5． Предлагаемая структура воды, разработанная на основе предыдущих экспериментальных данных мягкого рентгеновского излучения, малоуглового рентгеновского рассеяния и комбинационного рассеяния рентгеновских лучей
(слева) Две кривые, полученные в новом эксперименте, т.е.е., один указывает на группу молекул H 2 O, искаженных разрывом водородных связей, а другой указывает на тонкую структуру, подобную структуре льда. Эти кривые соответствуют одной кривой, указывающей на два различных состояния воды, ранее полученной путем анализа спектра излучения воды (H 2 O) при комнатной температуре.
(Справа) Предлагаемая структура воды. Трехмерная структура для простоты выражена в двухмерной плоскости. Когда температура воды увеличивается, плотность компонентов с высокой плотностью уменьшается и приближается к плотности компонентов с низкой плотностью, и контраст в горошек, представляющий плотность, становится небольшим.Поэтому становится трудно наблюдать разницу между этими компонентами с помощью малоуглового рассеяния рентгеновских лучей. Вышеупомянутая структура постоянно меняется с рекомбинацией водородных связей (которые рекомбинируют за 1-2 пикосекунды; пикосекунда составляет одну триллионную долю секунды). Следовательно, изменения в структуре воды можно постоянно обнаруживать, если мы используем методы получения информации с фемтосекундным разрешением (фемтосекунда составляет одну квадриллионную долю секунды), то есть быстрее, чем рекомбинация водородных связей, такая как мягкое рентгеновское излучение. , малоугловое рассеяние рентгеновских лучей и комбинационное рассеяние рентгеновских лучей.
Интервью и оригинальный текст Наричика Хонда
.