Диаметр — молекула — вода

Диаметр — молекула — вода

Cтраница 1

Диаметр молекулы воды равен примерно 0 0000000 Зсм.  [1]

Диаметр молекулы воды, вычисленный с помощью числа Аво-гадро, равен трем ангстремам. Подобная определенность объективно присуща молекуле любого вещества. Значит, структура выступает как пространственное расположение частиц в молекуле.  [2]

Диаметр молекулы воды составляет 0 29нм ( 2 9 А), что сопоставимо с размерами пор и дефектов большинства неметаллических материалов. Это обусловливает ее достаточно высокую проникающую способность, особенно в пористые силикатные материалы и композиты.  [3]

Диаметр молекулы воды равен всего 2 5 10 — 10 м, и водяной пар проходит сквозь мельчайшие поры. Плотные, непористые материалы не пропускают водяные пары и негигроскопичны. К ним относятся ситаллы, малощелочное стекло, вакуумно-плотная керамика, эпоксидные пластмассы и неполярные полимеры.  [4]

Если диаметр молекулы воды равен 0 276 нм, то диаметр ионной атмосферы, определяющий эффективный размер ионов в растворе 0 6 % — ного NaCl, составляет примерно 1 нм. Увеличение концентрации раствора электролита вызывает рост толщины ионной атмосферы.  [6]

Поперечник их в местах расширения превышает диаметр молекул воды. Плавление льда сопровождается разрывом связей между некоторыми молекулами и провалом их в каналы структуры льда. Повышение температуры сопровождается дальнейшим разрушением структуры.  [7]

Если предположить, что диаметр иона гидроксония равен диаметру молекулы воды, то расстояние между двумя ионами нептуния получится равным 10 3 А при использовании для радиуса ионов нептуния и диаметра молекулы воды величин, приведенных в работе Коена, Сулливана, Амиса и Хиндмана.  [8]

На поверхности последних образуется тонкая пленка толщиной в два-три диаметра молекул воды. При своем возникновении выделяет теплоту смачивания.  [9]

При толщине слоя адсорбированной влаги, равной 10 — 30

диаметрам молекул воды, по Б. В. Дерягину, образуется сольватный слой практически без выделения тепла. Этот слой, как указывает Ф. Е. Колясев, также имеет аномальные физико-химические свойства по сравнению с жидкостью в объеме.  [10]

Это объясняется тем, что материалы обладают пористой структурой и размеры пор превышают диаметр молекул воды. Кроме того, вдоль выводов элементов на границе соприкосновения материалов с различными коэффициентами линейного расширения образуются капилляры.  [11]

Физически связанная вода удерживается на поверхности минеральных частиц силами молекулярного сцепления и имеет форму тончайших пленок толщиной до нескольких сотен

диаметров молекулы воды.  [12]

Толшина пленки воды на поверхности колеблется в пределах 0 5 — 3 0 — Ю 6 см. Если учесть, что диаметр молекулы воды равняется ЗА, то, следовательно, на поверхности в среднем образуется слой воды, равный 100 молекулам. Для создания водоотталкивающего слоя на поверхности керамики необходимо образовавшийся слой воды выдержать при относительной влажности 60 — 90 % в течении 4 час.  [13]

Связанные воды удерживаются на поверхности минеральных частиц породы силами молекулярного сцепления, образуя слой, толщина которого может достигать нескольких сот

диаметров молекулы воды. Внешняя, большая, часть этого слоя представлена рыхло связанной ( лиосорбиро-ванной) водой.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

Молекулы — Технарь

О том, что вещества состоят из отдельных мельчайших частиц, люди догадывались очень давно, это утверждал еще около 2500 лет назад греческий ученый Демокрит.

Но если в древности ученые лишь предполагали, что вещества состоят из отдельных частиц, то в начале XX века существование таких частиц было доказано наукой.

Частицы, из которых состоят многие вещества, называют молекулами¹.

Молекула вещества — мельчайшая частица этого вещества. Наименьшая частица воды — это молекула воды, наименьшая частица сахара — это молекула сахара и т.д.

Каковы же размеры молекул?

Известно, что кусок сахара можно растолочь на очень маленькие крупинки, зерно пшеницы размолоть в муку. Масло, растекаясь по воде, образует пленку, толщина которой в 40 000 раз меньше толщины человеческого волоса. Но и в крупинке муки и в толще масляной пленки содержится не одна, а много молекул. Значит, размеры молекул этих веществ еще меньше, чем размеры крупинки муки и толщина пленки. Можно привести следующее сравнение: молекула во столько же раз меньше яблока среднего размера, во сколько раз яблоко меньше земного шара.

Молекулы разных веществ отличаются друг от друга размерами, но все они очень малы. Современные приборы — электронные микроскопы — позволили увидеть и сфотографировать наиболее крупные из молекул (см. цветную вклейку II). Эти фотографии – еще одно подтверждение существования молекул.

Так как молекулы очень малы, то в каждом теле их содержится великое множество. В 1 см³ воздуха содержится такое число молекул, что если» сложить столько же песчинок, то получится гора, которая закроет большой завод.

В природе все тела отличаются друг от друга хоть чем-нибудь. Нет людей с одинаковыми лицами. Среди листьев, растущих на одном дереве, нет двух совершенно одинаковых. Даже в целой куче песка мы не найдем одинаковых песчинок.

Миллионы шариков для подшипников изготавливают на заводе по одному образцу, одинакового размера. Но если шарики измерить точнее, чем это делалось при обработке, то можно убедиться, что среди них не найдется и двух одинаковых.

Отличаются ли между собой молекулы одного и того же вещества.

1. Молекула — латинское слово, означает «меленькая масса».

Многочисленные и сложные опыты показали, что молекулы одного и того же вещества одинаковы.

Каждое чистое вещество состоит из одинаковых молекул, присущих только ему. Это удивительный факт. Нельзя, например, отличить воду, полученную из сока или из молока, от воды, полученной путем перегонки морской воды, так как молекулы воды одинаковы и никакое другое вещество не состоит из таких же молекул.

Хотя молекулы и очень маленькие частицы вещества, но и они делимы. Частицы, из которых состоят молекулы, называют атомами.

Например, из двух одинаковых атомов состоит молекула кислорода. А молекула воды состоит из трех атомов — одного атома кислорода и двух атомов водорода. На рисунке 14 изображены две молекулы воды. Такое схематическое изображение молекул принято в науке, оно соответствует свойствам молекул, изученным в физических опытах, и называется моделью молекулы.

При делении двух молекул воды получаются четыре атома водорода и два атома кислорода. Каждые два атома водорода соединяются в молекулу водорода, а атомы кислорода — в молекулу кислорода, как показано схематически на рисунке 15.

Атомы тоже не являются неделимыми частицами, они состоят из более мелких частиц, называемых элементарными частицами.

Вопросы. 1. Как называют частицы, из которых состоят вещества? 2. Из каких наблюдений следует, что размеры молекул малы? 3. Что вы знаете о размерах молекул? 4. Что вы знаете о составе молекулы воды? 5. Какие опыты и рассуждения показывают, что все молекулы воды одинаковы?

Упражнение. Как известно, капли маслянистой жидкости растекаются по поверхности воды, образуя тонкую пленку. Почему при некоторой толщине пленки масло перестает растекаться?

Задание. Сделайте из цветного пластилина модели двух молекул воды. Затем из этих молекул составьте модели молекул кислорода и водорода.

Кислород молекулы размер — Справочник химика 21

    Катионы связаны с молекулами воды донорно-акцепторной связью донором являются атомы кислорода, имеющие две свободные электронные пары, акцептором — катионы, имеющие свободные электронные ячейки. Чем больше заряд иона и чем меньше его размер,тем значительнее будет катионная доля поляризующего действия К на Н2О. Анионы связаны с молекулами воды водородной связью. Сильное влияние может привести к полному отрыву протона — водородная связь становится ковалентной. Донорная активность А» будет тем значительнее, чем больше я и меньше га . В зависимости от силы поляризующего влияния К»» и А» на молекулы Н2О будут получаться различные результаты. Так, катионы элементов побочных подгрупп и непосредственно следующих за ними элементов подвергаются более интенсивному гидролизу, чем другие ионы одинаковых с ними заряда и радиуса, так как ядра первых менее эффективно экранируются -электро-нами. 

[c.202]
    Из сравнения структур карбоксилатов висмута (пивалата, формиата и ацетата), проведенных Писаревским и Мартыненко [204], следует, что во всех исследованных структурах атом висмута окружен девятью атомами кислорода. Увеличение размеров лигандов приводит к уменьшению количества атомов О, образующих мостиковые связи, но при этом увеличивается длина этих связей. Последнее приводит к тому, что молекулы пивалата висмута объединены в изолированные фуппировки, а не в бесконечные образования, как это имеет место в случае формиата и ацетата висмута.  [c.193]

    Из-за весьма малого размера протона и очень большого электрического поля вокруг него между протоном и неподеленной парой электронов кислорода молекулы воды возникает ковалентная связь  [c.87]

    При распаде молекулы 12,8% кислорода расходуется на окисление собственного 1,6% водорода, а остаток кислорода в размере 76,2—12,8=63,4%, выделяясь в свободном виде, идет на окисление топлива. [c.206]

    Молекулы, размер которых не превышает диаметра отверстия, входят свободно в каверны кристалла и при низких температурах. Поглощение же молекул более крупных размеров при низких температурах обнаруживает ряд особенностей. Так, например, адсорбция аргона увеличивается до температуры —150°, а при дальнейшем охлаждении рост сорбции приостанавливается. Азот показывает аналогичное же явление при —120°. В то же время кислород поглощается хорошо даже при температуре —200°. По-видимому, эффективный диаметр отверстий зависит также от температуры. Молекула [c.169]

    Линейная скорость воздуха определяет величину константы скорости переноса кислорода и размер поверхности раздела фаз и поэтому является решающим фактором для создания оптимальных условий подвода кислорода к окисляемым молекулам парафина [42]. [c.44]

    С органическими соединениями, молекулы которых отличались внушительными размерами, дело обстояло сложнее. Используя методы начала XIX в., было очень тяжело, вероятно и невозможно, установить точную эмпирическую формулу даже такого довольно простого по сравнению, например, с белками органического соединения, как морфин. В настоящее время известно, что в молекуле морфина содержатся 17 атомов углерода, 19 атомов водорода, 3 атома кислорода и 1 атом азота ( ijHisNOa). Эмпирическая формула уксусной кислоты (С2Н4О2) намного проще, чем формула морфина, но и относительно этой формулы в первой половине XIX в. не было единога мнения. Однако, поскольку химики собирались изучать строение молекул органических веществ, начинать им необходимо было с установления эмпирических формул. [c.74]

    Катионы К» связываются в растворе с гидратирующими их молекулами воды донорно-акцепторной связью донором являются атомы кислорода молекулы воды, имеющие две неподеленные электронные пары, акцептором — катионы, имеющие свободные атомные орбитали. Чем больше заряд катиона и чем меньше его размер, тем значительнее поляризующее действие К на Н2О. [c.283]

    Связь между атомами разных элементов всегда более или менее полярна, что обусловлено различием размеров и электроотрица-т(льностей атомов. Например, в молекуле хлорида водорода НС1 стязующее электронное облако смещено в сторону более электро-огрицательного атома хлора. Вследствие этого заряд ядра водорода уже не компенсируется, а на атоме хлора электронная плотность становится избыточной по сравнению с зарядом ядра. Иными словами, атом водорода в НС1 поляризован положительно, а атом хлора отрицательно на атоме водорода возникает положительный заряд, на атоме хлора — отрицательный. Этот заряд б, называемый эффективным, можно установить экспериментально. Согласно имеющимся данным эффективный заряд на атоме водорода молекулы H I составляет бн = +0,18, а на атоме хлора 6 i = —0>18 абсолютного за-р 1да электрона. Можно сказать, что связь в молекуле НС1 имеет на 18% ионный характер, т. е. полярна. Ниже приведены значения эффективных зарядов на атомах кислорода в оксидах элементов 3-го периода  [c.80]

    Она значительно отличается от других полифосфорных кислот по строению молекулы, которая состоит из двух концевых тетраэдров РО4, соединенных общим атомом кислорода. Молекулы других полифосфорных кислот содержат срединные тетраэдры. Угол POP в зависимости от размеров катиона металла меняется от 123 до 180°. Соли этой кислоты — пирофосфаты (дифосфаты). Их получают термической дегидратацией гидроортофосфатов  [c.438]

    В организмах животных в виде жиров сохраняется запас энергии. Молекула жира может дать вдвое больше энергии, чем молекула крахмала такого же размера. Объясняется это тем, что в молекуле жира все атомы водорода присоединены к атомам углерода. Процесс выработки энергии в организме состоит в том, что связи между водородом и углеродом разрываются, и атомы водорода соединяются с кислородом. В молекуле же крахмала почти половина атомов водорода уже соединена с атомами кислорода, и из этой связи никакой энергии извлечь нельзя. (Правда, крахмал перерабатывается организмом легче, чем жиры, так что и у него есть свои преимущества.) [c.198]

    V 1. Уменьшение размера частиц катализатора. При одной и гой же пористости с уменьшением диаметра шарика облегчается проникновение внутрь его молекул кислорода, что ускоряет процесс выгорания остаточного глубинного кокса. [c.44]

    Понятие о канале применимо к колшлексам тиомочевины, как и комплексам мочевины. Однако вследствие большего размера атома серы в тио-мочевине сравнительно с размерами кислорода в мочевине канал имеет большее поперечное сечение. Постоянные ячеек комплексов тиомочевины, бо-видимому, меняются в зависимости от природы комплексообразующей молекулы, в результате чего будут изменяться и размеры канала. Опубликованные данные рентгеноструктурных анализов комплексов тиомочевины недостаточны для надежного вычисления размеров капала. Метод, использованный Шисслером [15] для измерения молекулярных размеров моделей углеводородов, способных и не способных к комплексообразованию, по-видимому, наиболее пригоден для измерения поперечных размеров каналов комплексов тиомочевины, которые, вероятно, должны быть порядка 5,8 [c.215]

    Повышенное или пониженное значение плотности прочно связанной воды по сравнению с обычной жидкой водой будет зависеть от того, какой из двух факторов — усиление энергии связи или разупорядочивающее влияние подложки — окажется преобладающим. Для слоистых силикатов (см. табл. 2.2),кремнезема [87], цеолита NaX [88] плотность адсорбированной воды выше единицы. Это обусловлено высокой энергией связи при относительно небольшом разупорядочивающем влиянии подложки. Последнее объясняется хорошим структурным соответствием между узором поверхностных атомов кислорода (и гидроксильных групп в случае кремнезема) слоистых силикатов и кремнеземов, с одной стороны, и элементами структуры воды — с другой. Недаром получившая широкое распространение первая модель структуры адсорбированной слоистыми силикатами воды представляла собой плоский вариант структуры льда [89]. Н. В. Белов подметил идентичность формы и размеров полостей цеолита X и крупных додекаэдрических молекул воды Н20 20аоснове этого предположил, что [c.35]

    По мере перехода к молекулам, центральный атом в которых имеет все большие размеры, электроны на валентных орбиталях в среднем располагаются все дальше друг от друга. Поэтому межэлектронные отталкивания оказывают все меньшее влияние на форму молекул. Например, атом серы имеет больший эффективный размер, чем атом кислорода, а атомные спектры свидетельствуют о том, что межэлектронное отталкивание для валентных орбиталей серы значительно меньше, чем для валентных орбиталей кислорода. По-видимому, по этой причине валентный угол Н—S—Н в молекуле сероводорода H S равен 92°, что намного ближе к значению 90% предсказываемому в рамках модели связывания, основанной на перекрывании (Зр + lsl-орбиталей (рис. 13-17). Очевидно, отталкивание двух связывающих электронных пар в h3S значительно меньше отталкивания двух связывающих электронных пар в HjO. [c.564]

    Вероятно, гликолиз представляет собой живое ископаемое -реликтовый биохимический процесс, сохранившийся с тех времен, когда в земной атмосфере не было кислорода и одноклеточные организмы существовали за счет расщепления органических молекул, встречающихся в естественных условиях. Когда живые организмы приобрели большие размеры, стали сложнее и увеличили свои энергетические потребности, а в земной атмосфере появился кислород, произошло развитие более сложного биохимического процесса, требующего намного большего количества энергии и известного под названием цикла лимонной кислоты . Но прежде чем мы рассмотрим этот процесс, следует познакомиться с универсальным способом запасания химической энергии в любых живых организмах. [c.327]

    У неблагородных металлов, где вслед за адсорбцией происходит также и разрыв молекулы кислорода, механизм образования окисной пленки сложнее, однако и здесь вследствие достаточно больших размеров атомного кислородного иона правильная ориентировка кислородных слоев с плотнейшей упаковкой параллельно поверхности металла должна сохраняться. [c.44]

    Опытами было также установлено, что температура самовоспламенения топлива зависит не только от химической природы и размеров молекул, но и от давления воздуха, в который впрыснуто это топливо. На фиг. 14 показано влияние давления на температуру самовоспламенения топлив. Более тесный контакт капель топлива с молекулами кислорода воздуха, обусловленный повышенным давлением, ускоряет процесс окисления, вызывая самовоспламенение топлива при относительно более низких температурах. Повышение концентрации кислорода в смеси ускоряет предпламенное окисление топлива, так как скорость реакции по закону действующих масс пропорциональна концентрациям реагирующих веществ. [c.39]

    При взаимодействии с катионами молекулы воды ориентируются к ним своими атомами кислорода. Взаимодействие усиливается благодаря поляризующему действию катиона на молекулы воды. Этому благоприятствует малый размер катиона и более высокий заряд его (Mg , Al » ). [c.141]

    Размеры входных окон цеолитов зависят от расположения в них кислородных колец и от числа атомов кислорода в кольце. Строение кислородных колец основных типов природных и синтетических цеолитов показано в работе[7, с. ПЗЗ. На размер окна оказывает такхе влияние размер и расположение катиона, входящего в состав цеолита. Если катион расположен около окна, то он блокирует вход молекулы. [c.173]

    Большую часть нефтяных смол составляют химически нейтральные вещества. В смолах сконцентрирована основная масса сернистых, кислородных и чаще всего азотистых соединений нефти. Этим объясняется довольно высокая полярность и поверхностная активность нефтяных смол [168]. Содержание кислорода и серы, а также суммарное содержание всех гетероатомов возрастает с увеличением полярности фракций смол, полученных при хроматографическом разделении. В этой же последовательности увеличиваются кислотность, поверхностная активность, диэлектрическая проницаемость и размеры молекул [168]. [c.8]

    Кислород является ключевым атомом в молекуле. Удаление его, в особенности если он занимает положение мостика, размыкает молекулу и в такой степени уменьшает ее размер, что продукт становится плавким — жидким. Однако и после разрыва по кислородному мостику в молекуле остается еще много уязвимых позиций, что делает понятной сравнительную легкость дальнейшего перехода угля в масла средних интервалов кипения. [c.175]

    Энергия молекулы воды около катиона минимальная, еслд атом кислорода, представляющий отрицательный полюс, повернут к иону, а две О—Н-связи ориентированы наружу. Тип связи, обусловленной таким взаимодействием с катионом, существенно отличается от водородной связи. Катион, атом кислорода и два атома водорода располагаются в одной плоскости, вследствие чего свободное вращение. молекулы в общем невозможно ( неротационная связь ), за исключением, вероятно, вращения вокруг осей диполя. Однако это не влияет на ориентационную поляризацию. По мнению Ной са [37], катион независимо от своего размера образует при гидратации конфигурацию, которая позволяет ему довольно легко внедряться в структуру окружающей воды. Катионы взаимодействуют с двумя парами электронов Ь-оболочки атома кислорода молекулы воды, поэтому в непосредственной близости с катионом молекула воды может быть связана лишь с двумя другими молекулами воды. [c.86]

    Осборн и Портер измеряли константы скорости тушения триплетов нафталина а-иоднафталином в различных растворителях. В пропандиоле-1,2, глицерине и смеси жидкого парафина с н-гексаном (50 20) измеренные значения оказались близки к рассчитанным по уравнению J84), однако в жидком парафине— в четыре раза выше рассчитанных. Объяснили они это тем, что жидкий парафин состоит из длинных цепных молекул, которые оказывают большое сопротивление движению стальных шариков, используемых при измерениях вязкости, и гораздо меньшее сопротивление движению молекул, размеры которых малы по сравнению с размерами цепей. По этой же причине получаются высокие скорости тушения кислородом в пропандиоле-1,2. Интересно, что при больших концентрациях кислорода (соответствующих атмосферному давлению воздуха) отношение измеренной константы скорости к рассчитанной росло с увеличением вязкости и в очень вязких растворах достигло 130. Осборн и Портер приписали это тушению на расстояниях, превышающих 5A. Они предположили, что для каждого расстояния между триплетом и тушителем имеется некоторая вероятность тушения. Она быстро падает при увеличении расстояния, так что при низких вязкостях тушение на расстояниях более 5А не вносит ощутимого вклада в скорость тушения. При высоких вязкостях время диффузии молекул друг к другу велико, и, если даже вероятность тушения за единицу времени мала, оно может внести заметный вклад в суммарную скорость, т. е, эффективное расстояние твердых растворах фенантрена [84] и уменьшения относительной интенсивности замедленной ф.гтуоресценции возбужденных димеров в вязких растворах прн низкой температуре [85, 86] (см, раздел IV, Д, 3). [c.78]

    Миоглобин состоит из одной полипептидной цепи (153 остатка аминокислот) с молекулярной массой 17 ООО Да. Согласно рентгеноструктурному анализу молекула миоглобина является компактной сферической молекулой размером 4,5×3,5×2,5 нм. Примерно 75% остатков аминокислот образуют 8 правых а-спиралей, содержащих от 7 до 20 остатков. Начиная с Л -конца спирали обозначают номером и буквой спирали. Плоскость гема своей неполярной частью (метиль-ные, винильные группы) погружена в гидрофобный карман молекулы миоглобина. Среди гидрофобных аминокислотных остатков по обе стороны плоскости гема находится по одной молекуле гистидина проксимальный гис и дистальный гис Е1 (за счет сближения спиралей Р и Еъ пространстве). Пятая координационная связь железа (Ре ) занята азотом проксимального гис Р%. Шестая координационная связь (координационное положение) остается свободной и экранируется дистальным гис 7. В неоксигенированном миоглобине атом железа на 0,03 нм выступает из плоскости кольца в направлении гис 8. При связывании молекулы О2 с шестой координационной связью железа (оксигенированный миоглобин) атом железа втягивается в плоскость гема и выступает из нее только на 0,01 нм. Таким образом связывание О2 с молекулой миоглобина ведет, во-первых, к перемещению атома железа и, во-вторых, перемещающийся атом железа будет изменять положение проксимального гис /»8, а следовательно, и конформацию а-спирали Ри всей глобулы миоглобина. Для миоглобина (белок в третичной структуре) кривая связывания кислорода имеет форму гиперболы. Парциальное давление кислорода р02 [c.38]

    Кислотность катализатора определяют по количеству адсорбированного им аммиака из потока гелия при 200—260 °С. Выбор аммиака в качестве адсорбата обусловлен небольшим размером его молекулы, устойчивостью при высоких температурах, простотой его дозировки в поток газа-носителя, подходящей константной диссоциации (р/( = 4,75), позволяющей определять не только сильные кислотные, но и слабые центры. При анализе используют высокотемпературный хроматограф марки Вилли-Гиде с детектором по теплопроводности и температурой термостатирования 260 С. Хроматограф снабжен системой блокировки для отключения его в случае неконтролируемого повышения температуры выше установленной. Схема установки показана на рис. 44. Гелий из баллона проходит систему очистки, состоящую из кварцевой колонки с окисью меди 5 для очистки от водорода и углеводородов при 600—700°С, колонки с никельхромовым катализатором 7 для очистки от кислорода, колонки с аскаритом 9 для поглощения двуокиси углерода и осушительных колонок с окисью [c.133]

    Причиной молекулярной ассоциации в водных растворах и многих жидкостях часто является возникновение водородной связи между соприкасающимися полярными частями молекул, содержащих, например, гидроксильные группы (см. стр. 164). Такая ассоциация проявляется также и при адсорбции на адсорбентах, содержащих на поверхности гидроксильные группы, например при адсорбции воды, спиртов, аммиака, аминов и т. п. на поверхностях гидроокисей, т. е. на гидроксплированных поверхностях силикагелей, алюмогелен, алюмосил икатных катализаторов и т. п. адсорбентов. Поверхность силикагеля покрыта гидроксильными группами, связанными с атомами кремния кремнекислородного остова. Вследствие того что электронная -оболочка атома кремния не заполнена, распределение электронной плотности в гидроксильных группах поверхности кремнезема таково, что отрицательный заряд сильно смеш.ен к атому кислорода, так что образуется диполь с центром положительного заряда у атома водорода, размеры которого невелики. Часто молекулы адсорбата, обладающие резко смеш,енной к периферии электронной плотностью или неподеленными электронными парами (например, атомы кислорода в молекулах воды, спиртов или эфиров), образуют дополнительно к рассмотренным выше взаимодействиям водородные [c.496]

    Такое химическое модифицирование поверхности твердого тела путем прнзиакн больших инертных групп резко снижает энергию адсорбции не только молекул, способных специфически взаимодействовать с гидроксильными группам (например, азота, этилена, бензола, эфира, спиртов и т. п.), но и всех молекул вообще. Это происходит в результате того, что при образовании подобных модифицирующих слоев молекулы адсорбата, во-первых, не могут прянти в соприкосновение непосредственно с основным скелетом твердого тела и, во-вторых, они приходят в соприкосновение с гораздо меньшим числом атомоз, поскольку расстояния между смежными группами СН.ч в модифицирующем слое соответствуют их ван-дер-ваальсовым размерам, а расстояния между атомами кислорода и кремния в основном скелете кремнезема соответствуют гораздо более коротким расстояниям химических связей. [c.503]

    Водородная связь. Еще в XIX веке было замечено, что соединения, в которых атом водорода непосредственно связан с атомами фтора, кислорода и азота, обладают рядом аномальных свойств. Это проявляется, например, в значениях температур плавления и кипения подобных соединений. Обычно в ряду однотипных соединений элементов данной подгруппы температуры плавления и кипения с увеличением атомной массы элемента возрастают, Это объясняется усилением взанмиога притяжения молекул, чтб связано с увеличением размеров атомов и с ростом дисперсионного взаимодействия между ними (см. 48). Так, в ряду H I—НВг—HI температуры плавления равны, соответственно, [c.154]

    В комплексах молекулы мочевины располагаются в виде спирали за счет водородных связей между кислородом и аминогруппами соседних молекул. В результате этого образуется канал, в котором гасполагается молекула вещества, образующего комплекс. Комплексы образуют только те молекулы, поперечные размеры которых меньше поперечных размеров канала. Кристаллы чистой мочевины — тетрагональные призмы. Комплексы мочевины с нормальными парафинами кристаллизуются в виде гексагональных призм. Подсчитано, что поперечный размер образующегося капала paвei 4,9 Л, а поперечные размеры цепи нормального парафина равны 3,8 на 4Л. [c.181]

    Рентгенографические исследования комплексов тиокарбамида с соединениями, различающимися длиной цепи, показали, что молекулы тиокарбамида расположены в комплексе ромбоэдрически [10, 24, 43], образуя псевдогексагональные ячейки. Больший размер атома серы в молекуле тиокарбамида по сравнению с атомом кислорода в молекуле карбамида способствует образованию канала большего диаметра. [c.205]

    Водородная связь проявляется тем сильнее, чем больше элект-роотрицательнвсть атома-партнера и чем меньше его размеры. Она характерна прежде всего для соединений фтора, а также кислорода, в меньшей степени азота, в еще меньшей степени для хлора и сс1)ы. Соответственно меняемся и эиергия водородной связи. Так, энергия водородной связи Н—Р (эту связь принято обозначать точками) составляет 40, связи Н—0 20, Н—Ы ж 8 кДж. Соседство электроотрицательных атомов может активировать образование водородной связи у атомов СН-групп (хотя электроотри-цательностн углерода и водорода почти одинаковы). Этим объясняется возникновение водородных связей Между молекулами в жидких ИСЫ, СРзН и т. д. [c.132]

    Угли с выходом летучих веществ более 35% и с содержанием кислорода более 6% дают, таким образом, полностью изотропные коксы. С увеличением степени метаморфизма и в начале появления разусреднения на уровне 35% летучих веществ они имеют вид гранул. При выходе летучих веществ 25% эти участки достигают размеров 5—10 мкм и придают коксу вид зернистого гранита. При расширении участков при выходе летучих веществ в угле 20—22% кокс принимает вид волокнистого , а при выходе летучих 18—20% или тогда, когда речь идет о коксе из высокотемпературного пека, в наличии имеются широкие извилистые полосы . Эти волокна и эти полосы воспроизводят ориентацию плоских ароматических молекул в жидком кристалле в момент затвердевания. [c.114]

    Условием для возникновения водородной связи является большая величина электроотрицагельности у атома, непосредственно связаного в молекуле с атомом водорода. Положительно поляризованный атом во.дорода, по существу почти лишенный электронного облака, способен, благодаря своему малому размеру, проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома (фтора, кислорода, азота). В результате этого атом водорода одной молекулы связывается неподеленной электронной парой ат(1ма электроотрицательного элемента другой молекулы. Эта связь атома водорода, входящего в одну молекулу, с атомом электроотрицательного элемента, входящего в другую молекулу, и является водородной связью. Ниже схематически показана ас-соцмация двух молекул воды посредством водородной связи  [c.64]

---

Геометрическая форма молекул воды Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 577.31+577.171.53 ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ФОРМА МОЛЕКУЛ ВОДЫ

М. В. Фок

На основе известных экспериментальных данных найдена геометрическая форма молекулы воды в жидком состоянии, правильно отражающая как ее объем, так и элементы симметрии.

О свойствах воды написано очень много работ. Казалось бы, ее молекулы изучены «вдоль и поперек». Известны и расстояния между ядрами составляющих ее атомов и углы треугольника, на вершинах которого они находятся. Согласно книге Г. Н. За-цепиной [1] этот треугольник равнобедренный с боковыми сторонами 0.957 А и углом при вершине 104.5°. Автор подчеркивает, что молекула воды очень жесткая, то есть в основном ее состоянии и угол, и длина сторон весьма стабильны. Это значит, что в приведенных числах имеет смысл и последний знак. Но в то же время и в этой, и в других известных мне книгах, в том числе и в недавно вышедшей объемистой книге Бэлла [2], при рассмотрении геометрической формы молекулы воды допускается ошибка не в дол.; процента, а в десятки раз. Почему-то ее изображают в виде сложной фигуры, напоминающей детскую игрушку, составленную из погремушек — три шарика, соединенные «ножками». В книге Бэлла эти «ножки» имеют форму цилиндров (рис. 1), в книге За-цепиной переход между ними и сферами сглажен, но везде видны утолщения на концах «ножек». Между тем, если учесть, что центры сфер на рисунке Бэлла совпадают с ядрами кислорода и водорода, расстояние между которыми несколько менее ангстрема, то получим, что объем фигуры, изображенной Бэллом в качестве молекулы воды, равен примерно 0.2 А3. В действительности же объем молекулы воды в жидкой фазе около 30 А3, то есть в полтораста раз больше. Понятие объема молекулы в конденсированной фазе имеет вполне определенный физический смысл. Этот объем определяется тем расстоянием между соседними молекулами, начиная с которого резко возрастают силы их взаимного отталкивания. Поэтому при рассмотрении взаимодействия молекул воды со сложными микроструктурами — молекулами белков, липидными мембранами и т.п.

— необходимо знать не только строение этих объектов, но и геометрическую форму молекул воды. Иначе невозможно установить, где в этой структуре может и где не может разместиться молекула воды и какова энергия ее электростатического взаимодействия с имеющимися в этих структурах зарядами. Очевидно, что помещаемое в книгах сильно искаженное изображение молекул воды может привести читателей этих (и многих других) книг к недоразумениям и ошибкам.

Рис. 1. Форма молекулы воды, как она изображена в книге Бэлла [2].

Иногда форму молекулы воды аппроксимируют сферой радиуса 1.9 А. Это конечно

о «

точнее, ибо объем такой сферы равен 30 А . Но здесь получается другая крайность полностью отбрасывается несферичность молекулы воды и не видно, как ориентирован ее дипольный момент, от ориентации которого зависит энергия ее электростатического взаимодействия с окружающими молекулами. Это тоже может привести к ошибкам. Чтобы их избежать или хотя бы сильно уменьшить их вероятность, надо ясно представлять себе, какую форму имеет молекула воды в действительности.

Взаимное расположение ядер атомов водорода и кислорода в молекуле воды показывает, что она имеет две плоскости симметрии: одну, в которой лежат все три ядра, и другую, ей перпендикулярную и проходящую через ядро кислорода в направлении, перпендикулярном линии, соединяющей ядра водорода. Поскольку диаметр сферы объема 30 А3 в два с лишним раза больше расстояния между ядрами составляющих молекулу атомов, то по своей форме молекула воды гораздо больше похожа не на ту фигуру, которую рисуют в книгах, а на пухлый треугольный пирожок, «кислородный» угол которого несколько толще двух других.

Рис. 2. Близкая к действительности форма молекулы воды, а) Общий вид. б) Разрез плоскостью симметрии, в которой лежат ядра атомов кислорода и водорода. На рис. а) эта плоскость горизонтальна, в) Разрез второй плоскостью симметрии. Она проходит через ядро кислорода перпендикулярно линии, соединяющей ядра водорода. На рис. а) она вертикальна и направлена на зрителя.

На первый взгляд, кажется, что различие в толщине «кислородного» и «водородного» краев «пирожка» должно быть весьма значительным, ибо в атоме водорода всего один электрон, а в атоме кислорода их восемь и, к тому же, в молекуле воды он отдал кислороду часть своего электронного облака. Попытаемся на основе известных экспериментальных данных оценить величину этого различия. В справочниках [3] и [4] даны плотности жидкого и твердого кислорода и водорода, но данные по кислороду относятся к более высокой температуре, чем данные по водороду. Поэтому сравнивать их непосредственно не вполне корректно, хотя для твердого состояния разница невелика (—260°С для водорода и —253°С для кислорода). Там же дан и коэффициент объемного расширения твердого водорода (12.6- Ю-3 град-1), что позволяет вычислить плотность водорода при температуре —253°С, которая на доли градуса ниже температуры его плавления. При —260°С плотность водорода 0.076 г/см3, а при —253°С она получается равной 0.07 г/см3. Плотность кислорода при —253°С равна 1.41 г/см3. Отсюда полу-

чаем, что объем атома водорода на 27% больше объема атома кислорода, несмотря на то, что в нем всего один электрон, а в атоме кислорода их восемь. Отсюда следует, что в электронном облаке кислорода электронная плотность на порядок больше, чем в электронном облаке водорода.

Оценим теперь, какое изменение вносит переход части электронного облака от водорода к кислороду. Основываясь на известной величине дипольного момента молекулы воды (1.84Д) и приведенном выше взаимном расположении ее ядер, находим, что заряд каждого иона водорода в молекуле воды составляет по абсолютной величине около 1/3 заряда электрона, то есть, что от каждого атома водорода по 1/3 его электронного облака перешло к кислороду. Если предположить, что плотность заряда и в водороде, и в кислороде равномерна по всему объему электронного облака и что соотношение этих плотностей в ионах водорода и кислорода в молекуле воды такое же, как и в отдельных атомах водорода и кислорода, то получится, что объем иона кислорода в молекуле воды на 29% больше объема иона водорода, то есть радиусы их электронных облаков различаются всего на 9%. При той точности, на которую могут претендовать эти оценки, таким различием можно пренебречь.

При этих предположениях форма молекулы воды представляется в таком виде: три сферических сектора расположены так, что их центры совпадают с ядрами атомов водорода и кислорода; они соединены друг с другом касательными к ним полуцилиндрами, а сверху и снизу находятся плоские треугольники, касательные и к полуцилиндрам, и к сферическим секторам.

Объем V такой фигуры равен:

V = —г3 -(- 7гг2/(1 + sin 0.5а) + rl2 sin а,

О

где / = 0.957Á и а = 104.5°. Приравняв V известному объему молекулы воды (ЗОЛ3),

о

получим уравнение для г, откуда находим, что г = 1.55А, то есть в полтора с лишним раза больше расстояния мжду ядрами кислорода и водорода. На рисунке изображена эта фигура и ее разрезы плоскостями симметрии, а также с соблюдением масштаба показано расположение ядер атомов. Видно, что, хотя это не сфера, но отнюдь не «игрушка» с шариками на ножках.

Такая фигура гораздо точнее отражает геометрическую форму и размеры молекулы воды, знание которых необходимо для анализа ее взаимодействия с крупными молекулами и надмолекулярными структурами.

Заметим еще, что форма и размеры электронного облака молекулы воды были вычислены также и на основе квантовой механики (см., например, книгу [5]). То, что они практически полностью совпадают с формой и размерами этой молекулы, найденными нами на основе экспериментальных данных и элементарных соображений, может служить подтверждением правильности исходных предпосылок квантово-механического расчета.

ЛИТЕРАТУРА

[1] 3 а ц е п и н а Г. Н. Физические свойства и структура воды, изд. Московского университета, 1987 г., 171 стр.

[2] Ball Ph. Н20 — The Biography of Water, Weidenfeld and Nikolson, London, 1999, 1232 p.

[3] Физические величины. Справочник, ред. И. С. Григорьев и Е. 3. Мейлихов, М., Энергоатомиздат, 1991 г., 1932 стр.

[4] Таблицы физических величин. Справочник, ред. И. К. Кикоин, М., Атомиздат, 1976 г., 1006 стр.

[5] Water. A comprehensive treatise VI., Ed. by F. Franks, Plenum Press, 1971.

Поступила в редакцию 22 февраля 2002 г.

ЖИЗНЬ, МОЛЕКУЛА ВОДЫ И ЗОЛОТАЯ ПРОПОРЦИЯ

Соотношения золотой пропорции исследователи находят в морфологической структуре растений, птиц, животных, человека. Закономерности золотой пропорции обнаруживаются и в организации неживой природы. В данной статье на основании анализа молекулы воды в различных агрегатных состояниях высказана гипотеза, что ее структура в состоянии талой воды практически соответствует треугольнику золотой пропорции.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Теплоемкость воды достигает минимального значения при температуре около 37<SUP>о</SUP>С.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Илл. 1. Плотность воды при понижении температуры сначала возрастает, достигает максимума при 4<SUP>о</SUP>С и начинает уменьшаться.

Наука и жизнь // Иллюстрации

В момент плавления объем свинца мгновенно увеличивается от 1 до 1,003, а объем воды скачком уменьшается от 1,1 до 1,0.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Вода имеет аномально высокие температуры кипения и замерзания по сравнению с другими трехатомными соединениями водорода.

Наука и жизнь // Иллюстрации

В жидкой воде молекулы H<SUB>2</SUB>O могут объединяться в сложные образования — кластеры, по структуре напоминающие лед.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Схематичное изображение молекулы воды на плоскости.

Деление отрезка в крайнем и среднем отношении, или золотая пропорция. Отрезок разделен на две части так, что CB:AC = AC:AB.

«Золотой треугольник». Соотношение его сторон OA:AB = OB:AB ≈ 0,618,

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

‹

›

Воде была дана волшебная власть стать соком жизни на Земле.
Леонардо да Винчи

Вода — одно из самых уникальных и загадочных веществ на Земле. Природа этого вещества до конца еще не понята. Внешне вода кажется достаточно простой, в связи с чем долгое время считалась неделимым элементом. Лишь в 1766 году Г. Кавендиш (Англия) и затем в 1783 году А. Лавуазье (Франция) показали, что вода не простой химический элемент, а соединение водорода и кислорода в определенной пропорции. После этого открытия химический элемент, обозначаемый как Н, получил название «водород» (Hydrogen — от греч. hydro genes), которое можно истолковать как «порождающий воду».

Дальнейшие исследования показали, что за незатейливой химической формулой Н₂О скрывается вещество, обладающее уникальной структурой и не менее уникальными свойствами. Исследователи, пытавшиеся на протяжении двух с лишним столетий раскрыть секреты воды, часто заходили в тупик. Да и сейчас ученые понимают, что вода остается трудным объектом для исследований, ее свойства до сих пор не всегда до конца прогнозируемы.

Загадочная магия воды. Почему жидкая вода имеет необычные свойства? Традиционный ответ может быть следующим: из-за свойств атомов кислорода и водорода, из-за их структурного расположения в молекуле, из-за определенного поведения электронов в молекуле и т.п.

Так в чем же заключаются загадочные, необычные свойства привычной всем жидкой воды? Прежде всего, в том, что практически все свойства воды аномальны, а многие из них не подчиняются логике тех законов физики, которые управляют другими веществами. Кратко упомянем те из них, которые обуславливают существование жизни на Земле.

Вначале о трех особенностях тепловых свойств воды.

Первая особенность: вода — единственное вещество на Земле (кроме ртути), для которого зависимость удельной теплоемкости от температуры имеет минимум.

Из-за того, что удельная теплоемкость воды имеет минимум около 37^оС, нормальная температура человеческого тела, состоящего на две трети из воды, находится в диапазоне температур 36-38^оС (внутренние органы имеют более высокую температуру, чем наружные).

Вторая особенность: теплоемкость воды аномально высока. Чтобы нагреть определенное ее количество на один градус, необходимо затратить больше энергии, чем при нагреве других жидкостей, — по крайней мере вдвое по отношению к простым веществам. Из этого вытекает уникальная способность воды сохранять тепло. Подавляющее большинство других веществ таким свойством не обладают. Эта исключительная особенность воды способствует тому, что у человека нормальная температура тела поддерживается на одном уровне и жарким днем, и прохладной ночью.

Таким образом, вода играет главенствующую роль в процессах регулирования теплообмена человека и позволяет ему поддерживать комфортное состояние при минимуме энергетических затрат. При нормальной температуре тела человек находится в наиболее выгодном энергетическом состоянии.

Температура других теплокровных млекопитающих (32-39^оС) также хорошо соотносится с температурой минимума удельной теплоемкости воды.

Третья особенность: вода обладает высокой удельной теплотой плавления, то есть воду очень трудно заморозить, а лед — растопить. Благодаря этому климат на Земле в целом достаточно стабилен и мягок.

Все три особенности тепловых свойств воды позволяют человеку оптимальным образом существовать в условиях благоприятной среды.

Имеются особенности и в поведении объема воды. Плотность большинства веществ — жидкостей, кристаллов и газов — при нагревании уменьшается и при охлаждении увеличивается, вплоть до процесса кристаллизации или конденсации. Плотность воды при охлаждении от 100 до 4^оС (точнее, до 3,98^оС) возрастает, как и у подавляющего большинства жидкостей. Однако, достигнув максимального значения при температуре 4^оС, плотность при дальнейшем охлаждении воды начинает уменьшаться. Другими словами, максимальная плотность воды наблюдается при температуре 4^оС (одна из уникальных аномалий воды), а не при температуре замерзания 0^оС.

Замерзание воды сопровождается скачкообразным(!) уменьшением плотности более чем на 8%, тогда как у большинства других веществ процесс кристаллизации сопровождается увеличением плотности. В связи с этим лед (твердая вода) занимает больший объем, чем жидкая вода, и держится на ее поверхности.

Столь необычное поведение плотности воды крайне важно для поддержания жизни на Земле.

Покрывая воду сверху, лед играет в природе роль своего рода плавучего одеяла, защищающего реки и водоемы от дальнейшего замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Если бы плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, что привело бы к гибели всех живых существ в реках, озерах и океанах, которые замерзли бы целиком, превратившись в глыбы льда, а Земля стала ледяной пустыней, что неизбежно привело бы к гибели всего живого.

Отметим еще некоторые особенности воды.

Внешне вода подвижна и податлива, и ее можно заключить в любой сосуд. Однако, проникая в трещины горных пород и расширяясь при замерзании, вода раскалывает скальные породы любой твердости, которые постепенно распадаются на все более мелкие частицы. Так начинается возврат окаменевших пород в жизненный цикл: на полях промерзание поверхностных слоев земли с ее органическими компонентами помогает образованию плодородной почвы.

Процесс включения твердых веществ в большой круговорот живой природы ускоряется чудесным свойством воды их растворять. Вода с растворенными компонентами твердых веществ становится средой питания и поставщиком микроэлементов, необходимых для жизни растений, животных и человека.

Вода сильнее других жидкостей проявляет свойства универсального растворителя. Если ей дать достаточно времени, она может растворить практически любое твердое вещество. Именно из-за уникальной растворяющей способности воды никому до сих пор не удалось получить химически чистую воду — она всегда содержит растворенный материал сосуда. Вода абсолютно необходима для всех ключевых систем жизнеобеспечения человека. Она содержится в человеческой крови (79%) и способствует переносу по кровеносной системе в растворенном состоянии тысяч необходимых для жизни веществ. Вода содержится в лимфе (96%), которая разносит из кишечника питательные вещества по тканям живого организма (см. таблицу 1).

Перечисленные свойства и особая роль воды в обеспечении жизни на Земле не могут оставить равнодушным ни один пытливый ум, даже если он верит в счастливые случайности. «Начало всего есть вода», — справедливо отмечал Фалес из Милета в VI веке до н.э.

Жидкое чудо. Прекратим перечисление странных, но жизненно необходимых свойств воды, которых можно набрать еще с десяток, и переключим внимание на секреты необычного строения ее молекулы. Именно анализ строения молекулы воды позволяет понять ее исключительность в живой и неживой природе. Так что дорога к истине проходит через строение одиночной молекулы воды.

Прежде всего отметим, что молекула воды самая маленькая среди подобных трехатомных молекул (по отношению к гомологам, то есть водородным соединениям типа Н₂S, Н₂Se, Н₂Те, со свойствами которых традиционно сравнивают свойства воды). Такие молекулы при нормальных условиях образуют газы, а молекулы воды — жидкость. Почему?

Хаотичное сообщество газообразных молекул воды при конденсации, то есть при образовании жидкой фазы, формирует жидкое вещество удивительной сложности. В первую очередь это связано с тем, что молекулы воды обладают уникальным свойством объединяться в кластеры (группы) (Н₂О)x. Под кластером обычно понимают группу атомов или молекул, объединенных физическим взаимодействием в единый ансамбль, но сохраняющих внутри него индивидуальное поведение. Возможности прямого наблюдения кластеров ограничены, и поэтому экспериментаторы компенсируют аппаратурные недостатки интуицией и теоретическими построениями.

При комнатной температуре степень ассоциации X для воды составляет, по современным данным, от 3 до 6. Это означает, что формула воды не просто Н₂О, а среднее между Н₆О₃ и Н₁₂О₆. Другими словами, вода — сложная жидкость, «составленная» из повторяющихся групп, содержащих от трех до шести одиночных молекул. Вследствие этого вода имеет аномальные значения температуры замерзания и кипения по сравнению с гомологами. Если бы вода подчинялась общим правилам, она должна была замерзать при температуре порядка -100^оС и закипать при температуре около +10^оС.

Если бы вода при испарении оставалась в виде Н₆О₃, Н₈О₄ или Н₁₂О_6, то водяной пар был бы намного тяжелее воздуха, в котором доминируют молекулы азота и кислорода. В этом случае поверхность всей Земли была бы покрыта вечным слоем тумана. Представить себе жизнь на такой планете практически невозможно.

Людям крупно повезло: кластеры воды при испарении распадаются, и вода превращается практически в простой газ с химической формулой Н₂О (обнаруженное в последнее время в паре незначительное количество димеров Н₄О₂ погоды не делает). Плотность газообразной воды меньше плотности воздуха, и поэтому вода способна насыщать своими молекулами земную атмосферу, создавая комфортные для человека погодные условия.

На Земле нет других веществ, наделенных способностью быть жидкостью при температурах существования человека и при этом образовывать газ не только легче воздуха, но и способный возвращаться к ее поверхности в виде осадков.

Восхитительная геометрия. Итак, какова же самая маленькая среди трехатомных молекул? Молекула воды имеет симметричную V-образную форму, так как два небольших атома водорода располагаются с одной стороны от сравнительно крупного атома кислорода. Это сильно отличает молекулу воды от линейных молекул, например Н₂Ве, в которой все атомы располагаются цепочкой. Именно такое странное расположение атомов в молекуле воды и позволяет ей иметь множество необычных свойств.

Если внимательно рассмотреть геометрические параметры молекулы воды, то в ней обнаруживается определенная гармония. Чтобы увидеть ее, построим равнобедренный треугольник Н-О-Н с протонами в основании и кислородом в вершине. Такой треугольник схематично копирует структуру молекулы воды, проекция которой на плоскость условно изображена на рисунке.

Длины сторон этого треугольника и валентный угол между двумя связями О-Н изменяются при изменении агрегатного состояния воды. Приведем эти параметры (см. таблицу 2).

Прокомментируем данные, характеризующие различные состояния воды.

Параметры молекулы воды в парообразном состоянии получены на основе обработки спектров ее поглощения. Результаты неоднократно уточнялись, но по существу правильно оценивают длины связей и валентный угол в молекуле воды в состоянии пара.

Кристаллическая структура льда при нормальном давлении довольно рыхлая с причудливой паутиной связей между молекулами воды. Схематично кристаллическую решетку обычного льда можно построить из атомов кислорода, каждый из которых участвует с соседними атомами в четырех водородных связях, направленных приблизительно к вершинам правильного тетраэдра.

Напомним, что водородной называется связь между атомами в одной молекуле или между соседними молекулами, которая осуществляется через атом водорода. Водородная связь играет чрезвычайно важную роль в структуре не только воды, но и большинства биологических молекул — углеводов, белков, нуклеиновых кислот и т. п.

Если кристаллический лед хорошо упорядочен по кислороду, то этого нельзя сказать про водород: в расположении ионов водорода (протонов) наблюдается сильный беспорядок. Их положение четко не определено, и поэтому лед можно считать разупорядоченным по водороду.

Лед обладает многими удивительными особенностями, из которых отметим две.

Во-первых, он всегда очень чист химически. В структуре льда практически не бывает примесей: при замерзании они вытесняются в жидкость. Именно поэтому снежинки всегда белые, а льдинки на поверхности грязной лужи практически прозрачные. Вообще говоря, любой растущий кристалл стремится создать идеальную кристаллическую решетку и вытесняет посторонние вещества. Но в планетарном масштабе именно замечательный феномен замерзания и таяния воды играет роль гигантского очистительного процесса — вода на Земле постоянно очищает сама себя.

Во-вторых, лед и особенно снег обладают очень высокой отражательной способностью. Благодаря этому солнечное излучение не вызывает заметного нагрева полярных областей, и, как следствие этого, наша планета избавлена от сезонных наводнений и повышений уровня Мирового океана.

Экспериментальное определение параметров одиночной молекулы воды в жидкой фазе до сих пор встречает непреодолимые трудности, поскольку жидкая вода — это смесь структурных элементов, то есть различных кластеров, находящихся в динамическом равновесии между собой. Полной ясности в отношении их взаимодействий до сих пор нет, а разделить такую смесь на отдельные компоненты невозможно: «простая» жидкость Н₂О не торопится раскрывать свои внутренние секреты.

Вернемся к рисунку, на котором в общих чертах представлена структура молекулы воды. В ней есть симметрия, которая играет основную роль в попытках всестороннего объяснения физического мира, и асимметрия, наделяющая эту молекулу возможностью движения и связью с золотой пропорцией. Поэтому кратко напомним о том, что в математике называют золотой пропорцией.

Золотая пропорция . Это понятие возникает при решении геометрической задачи о нахождении на отрезке АВ такой точки С, чтобы выполнялось соотношение СВ:АС = АС:АВ.

Решение этой задачи приводит к отношению СВ:АС = (-1+√5)/2, которое называют золотой пропорцией, а соответствующее геометрическое деление отрезка АВ точкой С называют золотым сечением. Если принять весь отрезок за единицу, то АС = 0,618033… и СВ = 0,381966….

Время показало, что золотая пропорция воплощает совершенные и гармоничные отношения двух величин. В геометрической интерпретации она приводит к соразмерному и привлекательному соотношению между двумя неравными отрезками.

Исследователи золотой пропорции с античных времен до наших дней всегда восхищались и продолжают восхищаться ее свойствами, которые проявляются в строении различных элементов физического и биологического мира. Золотая пропорция обнаруживается везде, где соблюдены принципы гармонии.

Что же объединяет золотую пропорцию с молекулой воды? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим двумерный образ золотой пропорции в виде треугольника.

В золотом треугольнике отношение ОА:АВ = ОВ:АВ приблизительно равно 0,618, угол α = 108,0^о. Для льда отношение длин связей О-Н к Н-Н равно 0,100:0,163 = 0,613 и угол α = 109,5^о, для пара — соответственно 0,631 и 104,5^о. Не распознать в золотом треугольнике прообраз структуры молекулы воды просто невозможно! Удивительно, что до сих пор так мало внимания обращали на возможность подобной интерпретации ее строения.

И действительно, поместив в треугольнике АОВ в точки А и В атомы водорода, а в точку О — атом кислорода, получим в первом приближении молекулу жидкой воды, сконструированную на основе золотой пропорции. Подобная элегантность молекулы очаровывает и восхищает. Так что роль молекулы воды в природе и жизни не может быть правильно оценена без учета красоты ее формы.

Исключительная гармония. Убедимся, что молекула жидкой воды — единственное трехатомное вещество, имеющее соразмерности, свойственные золотой пропорции.

В трехатомных молекулах-гомологах, близких по химическому составу к молекуле воды (Н₂S, H₂Se и Н₂Те), валентный угол приблизительно равен 90^о. Например, молекула Н₂S имеет следующие геометрические параметры:

длина связи S-Н, нм ……………………. 0,1345

длина связи Н-Н, нм ……………………… 0,1938

валентный угол Н-S-Н, град ………….. 92,2

Отношение длин связей S-Н к Н-Н равно 0,694, что далеко от золотой пропорции. Квантово-химические расчеты показывают, что если бы вода была подобна родственным ей веществам, то валентный угол у ее молекулы должен был быть приблизительно таким же, как у Н₂S, или больше максимум на 5^о.

Но вода, как выясняется, не любит подобия, она всегда герой другого романа. Если бы валентный угол у воды был порядка 90-95^о, о золотой пропорции пришлось бы забыть и вода оказалась бы в одном содружестве с другими водородными соединениями.

Но вода уникальна, ее молекула обладает практически выверенными эстетическими качествами, и поэтому ее свойства необходимо иногда интерпретировать, выходя за рамки традиционной научной парадигмы. И тогда некоторые загадки воды смогут быть объяснены таким «ненаучным» понятием, как гармония.

На приведенные рассуждения можно возразить: экспериментальные измерения геометрических параметров молекулы воды имеют определенную погрешность, и поэтому соотношение золотой пропорции может строго не выполняться. Но даже если в экспериментальные измерения внести еще большую погрешность, молекула воды все равно останется единственным из трехатомных веществ, имеющим практически «золотые» гармоничные пропорции.

В связи с этим обратим внимание на загадку талой воды, которая, по широко распространенному мнению, обладает отличным от обычной воды физиологическим воздействием.

Удивительная талая вода. Она рождается при таянии льда и сохраняет температуру 0^оС, пока весь лед не растает. Специфика межмолекулярных взаимодействий, характерная для структуры льда, сохраняется и в талой воде, так как при плавлении кристалла разрушается только 15% всех водородных связей. Поэтому присущая льду связь каждой молекулы воды с четырьмя соседними («ближний порядок») в значительной степени не нарушается, хотя и наблюдается бoльшая размытость кислородной каркасной решетки.

Таким образом, талая вода отличается от обычной изобилием многомолекулярных кластеров, в которых в течение некоторого времени сохраняются рыхлые льдоподобные структуры. После таяния всего льда температура воды повышается и водородные связи внутри кластеров перестают противостоять возрастающим тепловым колебаниям атомов. Размеры кластеров изменяются, и поэтому начинают меняться свойства талой воды: диэлектрическая проницаемость приходит к своему равновесному состоянию через 15-20 минут, вязкость — через 3-6 суток. Биологическая активность талой воды спадает, по одним данным, приблизительно за 12-16 часов, по другим — за сутки.

Итак, физико-химические свойства талой воды самопроизвольно меняются во времени, приближаясь к свойствам обычной воды: она постепенно как бы «забывает» о том, что еще недавно была льдом.

Лед и пар — различные агрегатные состояния воды, и поэтому логично предположить, что в жидкой промежуточной фазе валентный угол отдельной молекулы воды лежит в диапазоне между значениями в твердой фазе и в паре. В кристалле льда валентный угол молекулы воды близок к 109,5^о. При таянии льда межмолекулярные водородные связи ослабевают, расстояние Н-Н несколько сокращается, валентный угол уменьшается. При нагревании жидкой воды происходит разупорядочение кластерной структуры, и этот угол продолжает уменьшаться. В парообразном состоянии валентный угол молекулы воды составляет уже 104,5^о.

Значит, для обычной жидкой воды валентный угол вполне может иметь некоторое среднее значение между 109,5^{и 104,5о, то есть примерно 107,0о. Но так как талая вода по своей внутренней структуре близка ко льду, то и валентный угол ее молекулы должен быть ближе к 109,5о, скорее всего, около 108,0о.}

Сказанное выше можно сформулировать в виде гипотезы: в силу того, что талая вода значительно более структурирована, чем обычная вода, ее молекула с большой долей вероятности имеет структуру, максимально приближенную к гармоничному треугольнику золотой пропорции с валентным углом, близким к 108^о, и с отношением длин связей примерно 0,618-0,619.

Экспериментального подтверждения этой гипотезы у авторов нет, как нет и какой-либо теории ее обоснования. Есть только догадка, высказанная на этих страницах, которая может, естественно, оспариваться.

Таинственная сила талой воды. Человеку с незапамятных времен известны удивительные свойства талой воды. Давно замечено, что вблизи тающих родников растительность альпийских лугов всегда пышнее, а у кромки тающего льда в арктических морях бурно цветет жизнь. Полив талой водой повышает урожайность сельскохозяйственных культур, ускоряет прорастание семян. При употреблении талой воды устойчиво повышаются привесы в животноводстве, ускоряется развитие цыплят. Известно, с какой жадностью животные пьют весной талую воду, а птицы буквально купаются в первых лужицах подтаявшего снега.

Талая вода, в отличие от обычной, по своей структуре очень похожа на жидкость, содержащуюся в клетках растительных и живых организмов. Именно поэтому для человека более подходит «ледяная» структура талой воды, в которой молекулы объединены в ажурные кластеры. Это уникальное свойство талой воды способствует ее легкому усвоению организмом, она биологически активна. Вот почему так полезны овощи и фрукты — они доставляют в организм воду, имеющую аналогичную структуру.

При питье талой воды происходит подпитка организма самым гармоничным из всех веществ на Земле. Она улучшает обмен веществ и усиливает кровообращение, снижает количество холестерина в крови и успокаивает боли в сердце, повышает адаптационные возможности организма и способствует продлению жизни. Глоток чистейшей талой воды тонизирует лучше пастеризованного сока, в ней есть заряд энергии, бодрости и легкости.

Один из авторов этой работы постоянно пьет талую с плавающими льдинками воду и считает, что именно поэтому за три года ни разу не простудился. Талая вода освежает и молодит кожу, которая перестает нуждаться в кремах и лосьонах.

Теоретическое изучение свойств талой воды находится пока на уровне гипотез. Нет общепринятого мнения о причинах, вызывающих необычные эффекты при ее применении. Есть определенные проблемы и с доказательной стороной биологической активности талой воды. Исследования в этом направлении вызывают порой жаркие дискуссии. Сложность проблемы, отсутствие ясности — все это должно не отпугивать, а притягивать и способствовать появлению новых идей, гипотез, теорий. Таков зачастую тернистый путь развития науки.

Подчеркнем: приведенная гипотеза не претендует на расшифровку загадки талой воды. Она лишь позволяет выйти за рамки традиционного мышления и посмотреть на взаимную любовь жизни и воды с необычной стороны — со стороны гармонии и красоты, со стороны особых свойств талой воды, добавляющих ее изящной молекуле черты, которыми не обладают другие молекулы.

ЛИТЕРАТУРА

Ауэрбах Ф. Семь аномалий воды. — СПб., 1919.

Габуда С. П. Связанная вода. Факты и гипотезы. — Новосибирск: Наука, 1982.

Зацепина Г. Н. Физические свойства и структура воды. — М.: МГУ, 1998.

Синюков В. В. Вода известная и неизвестная. — М.: Знание, 1987.

Белянин В. С., Романова Е. Золотая пропорция. Новый взгляд // Наука и жизнь, 2003, № 6.

Вода: структура, состояние, сольватизация. Достижения последних лет. — М.: Наука, 2003.

Подписи к иллюстрациям

Илл. 1. Плотность льда почти на 10% меньше, чем у воды, а удельный объем на столько же больше. Поэтому лед плавает, а вода, замерзая в трещинах горных пород, раскалывает их.

Размеры и массы молекул, расстояния между молекулами. — Cтатьи — Каталог статей

Размеры и массы молекул, расстояния между молекулами. Молекулы очень малы, обычные молекулы невозможно рассмотреть даже в самый сильный оптический микроскоп – но некоторые параметры молекул можно довольно точно посчитать (масса), а некоторые получится только очень грубо оценить (размеры, скорость), да еще хорошо бы понять, что такое «размер молекулы» и про какую именно «скорость молекулы» мы говорим. Итак, масса молекулы находится как «масса одного моля»/«число молекул в моле». Например, для молекулы воды m = 0,018/6·1023 = 3·10-26 кг (можно и поточнее посчитать – число Авогадро известно с хорошей точностью, да и молярную массу любой молекулы несложно найти). Оценка размера молекулы начинается с вопроса о том, что же считать ее размером. Вот если бы она была идеально отполированным кубиком! Однако, она и не кубик, и не шарик и вообще у нее нет четко очерченных границ. Как быть в таких случаях? Начнем издали. Оценим размер куда более знакомого объекта – школьника. Школьников все мы видели, массу среднего школьника примем равной 60 кг (а потом посмотрим – сильно ли влияет этот выбор на результат), плотность школьника – примерно как у воды (вспомним, что стоит как следует вдохнуть воздух, и после этого можно «висеть» в воде, погрузившись почти полностью, а если выдохнуть, то сразу начинаешь тонуть). Теперь можно найти объем школьника: V = 60/1000 = 0,06 куб. метра. Если теперь принять, что школьник имеет форму куба, то его размер находится как корень кубический из объема, т.е. примерно 0,4 м. Вот такой получился размер – меньше роста (размера «в высоту»), больше толщины (размера «в глубину»). Если мы ничего о форме тела школьника не знаем, то лучше этого ответа мы ничего и не найдем (вместо кубика можно было взять шарик, но ответ получился бы примерно тем же, а считать диаметр шара сложнее, чем ребро куба). А вот если у нас есть дополнительная информация (из анализа фотографий, например), то ответ можно сделать куда более разумным. Пусть стало известно, что «ширина» школьника в среднем вчетверо меньше его высоты, а его «глубина» — еще в три раза меньше. Тогда Н*Н/4*Н/12 = V, отсюда Н = 1,5 м (нет смысла делать более точный расчет такой плохо определенной величины, ориентироваться на возможности калькулятора в таком «расчете» просто неграмотно!). Мы получили вполне разумную оценку роста школьника, если бы мы взяли массу порядка 100 кг (и такие школьники бывают!), получим примерно 1,7 – 1,8 м – тоже вполне разумно. Оценим теперь размер молекулы воды. Найдем объем, который приходится на одну молекулу в «жидкой воде» — в ней молекулы плотнее всего упакованы (сильнее прижаты друг к другу, чем в твердом, «ледяном» состоянии). Моль воды имеет массу 18 г, его объем 18 куб. сантиметров. Тогда на одну молекулу приходится объем V= 18·10-6/6·1023 = 3·10-29 м3. Если у нас нет информации о форме молекулы воды (или – если мы не хотим учитывать сложную форму молекул), проще всего считать ее кубиком и размер найти точно так, как мы только что находили размер кубического школьника: d= (V)1/3 = 3·10-10 м. Вот и все! Оценить влияние формы достаточно сложных молекул на результат расчета можно, например, так: посчитать размер молекул бензина, считая молекулы кубиками – а после этого провести эксперимент, посмотрев площадь пятна от капли бензина на поверхности воды. Считая пленку «жидкой поверхностью толщиной в одну молекулу» и зная массу капли, можно сравнить размеры, полученные этими двумя способами. Очень поучительный получится результат! Использованная идея годится и для совсем другого расчета. Оценим среднее расстояние между соседними молекулами разреженного газа для конкретного случая — азот при давлении 1 атм и температуре 300К. Для этого найдем объем, который в этом газе приходится на одну молекулу, а дальше все получится просто. Итак, возьмем моль азота при этих условиях и найдем объем указанной в условии порции, а затем разделим этот объем на число молекул: V= R·T/P·NА= 8,3·300/105·6·1023 = 4·10-26 м3. Будем считать, что объем разделен на плотно упакованные кубические клетки, а каждая молекула «в среднем» сидит в центре своей клетки. Тогда среднее расстояние между соседними (ближайшими) молекулами равно ребру кубической клетки: d = (V)1/3 = 3·10-9 м. Видно, что газ разреженный – при таком соотношении между размерами молекулы и расстоянием между «соседями» сами молекулы занимают довольно малую — примерно 1/1000 часть — объема сосуда. Мы и в этом случае провели расчет очень приближенно — такие не слишком определенные величины, как «среднее расстояние между соседними молекулами» нет смысла считать точнее. Газовые законы и основы МКТ. Если газ достаточно разреженный (а это – обычное дело, нам чаще всего приходится иметь дело именно с разреженными газами), то практически любой расчет делается при помощи формулы, связывающей давление Р, объем V, количество газа ν и температуру Т – это знаменитое «уравнение состояния идеального газа» P·V= ν·R·T. Как находить одну из этих величин, если заданы все остальные, это совсем просто и понятно. Но можно сформулировать задачу так, что вопрос будет про какую-нибудь другую величину – например, про плотность газа. Итак, задача: найти плотность азота при температуре 300К и давлении 0,2 атм. Решим ее. Судя по условию газ довольно разреженный (воздух, состоящий на 80% из азота и при существенно большем давлении можно считать разреженным, мы им свободно дышим и легко через него проходим), а если бы это было и не так – других формул у нас все равно нет – используем эту, любимую. В условии не задан объем какой-либо порции газа, зададим его сами. Возьмем 1 кубический метр азота и найдем количество газа в этом объеме. Зная молярную массу азота М= 0,028 кг/моль, найдем массу этой порции – и задача решена. Количество газа ν= P·V/R·T, масса m = ν·М =М·P·V/R·T, отсюда плотность ρ= m/V = М·P/R·T = 0,028·20000/(8,3·300) ≈ 0,2 кг/м3. Выбранный нами объем так и не вошел в ответ, выбирали мы его для конкретности – так проще рассуждать, ведь не обязательно сразу сообразишь, что объем может быть каким угодно, а плотность получится одна и та же. Впрочем, можно и сообразить – «взяв объем, скажем, в пять раз больше, мы увеличим ровно в пять раз количество газа, следовательно, какой бы объем ни взять, плотность получится одна и та же». Можно было просто переписать любимую формулу, подставив в нее выражение для количества газа через массу порции газа и его молярную массу: ν = m/М, тогда сразу выражается отношение m/V = М·P/R·T, а это и есть плотность. Можно было взять моль газа и найти занимаемый им объем, после чего сразу находится плотность, ведь масса моля известна. В общем, чем проще задача, тем больше равноценных и красивых способов ее решать… Вот еще одна задача, где вопрос может показаться неожиданным: найти разность давлений воздуха на высоте 20 м и на высоте 50 м над уровнем земли. Температура 00С, давление 1 атм. Решение: если мы найдем плотность воздуха ρ при этих условиях, то разность давлений ∆P = ρ·g·∆H. Плотность находим так же, как и в предыдущей задаче, сложность только в том, что воздух – это смесь газов. Считая, что он состоит из 80% азота и 20% кислорода, найдем массу моля смеси: m= 0,8·0,028 + 0,2·0,032 ≈ 0,029 кг. Объем, занимаемый этим молем, V= R·T/P и плотность найдется, как отношение этих двух величин. Дальше все понятно, ответ составит примерно 35 Па. Плотность газа придется рассчитывать и при нахождении, например, подъемной силы воздушного шара заданного объема, при расчете количества воздуха в баллонах акваланга, необходимого для дыхания под водой в течение известного времени, при расчете количества ишаков, необходимых для перевозки заданного количества паров ртути через пустыню и во многих других случаях. А вот задача посложнее: на столе шумно кипит электрический чайник, потребляемая мощность составляет 1000 Вт, к.п.д. нагревателя 75% (остальное «уходит» в окружающее пространство). Из носика — площадь «носика» 1 см2 — вылетает струя пара, оценить скорость газа в этой струе. Все необходимые данные взять из таблиц. Решение. Будем считать, что в чайнике над водой образуется насыщенный пар, тогда из носика вылетает струя насыщенного водяного пара при +1000С. Давление такого пара равно 1 атм, легко найти его плотность. Зная мощность, идущую на испарение Р= 0,75·Р0 = 750 Вт и удельную теплоту парообразования (испарения) r = 2300 кДж/кг, найдем массу пара, образующегося за время τ: m= 0,75Р0·τ/r. Плотность мы знаем, тогда легко найти объем этого количества пара. Остальное уже понятно – представим этот объем в виде столбика с площадью поперечного сечения 1 см2, длина этого столбика, деленная на τ и даст нам скорость вылета (такая длина вылетает за секунду). Итак, скорость вылета струи из носика чайника V = m/(ρ·S·τ) = 0,75P0·τ/(r·ρ·S·τ) = 0,75P0·R·T/(r·P·M·S) = 750·8,3·373/(2,3·106·1·105·0,018·1·10-4) ≈ 5 м/с. (c) Зильберман А. Р.

Физики упорядочили электродипольную решетку молекул воды

Схематическое изображение электродипольной решетки молекул воды в упорядоченном состоянии.

M. A. Belyanchikov et al. / Nature, 2020

Физики экспериментально обнаружили переход группы молекул воды, размещенных в полостях кристаллической решетки кордиерита, в состояние, при котором электрические диполи этих молекул образуют упорядоченную структуру. Результат важен как с фундаментальной точки зрения — надежное экспериментальное наблюдение таких фазовых переходов в лаборатории ранее представляло трудности, так и с практической — упорядоченные электродипольные решетки молекул воды могут найти применение в области наноэлектроники (в том числе биосовместимой), а также помочь ученым в создании искусственных квантовых систем. Статья опубликована в журнале Nature Communications.

Когда возникает необходимость описывать электромагнитное поле сложных систем (как, например, молекулы) на расстояниях, которые значительно превышают размеры самой системы, физики пользуются дипольным приближением. В таком приближении роль реального объекта выполняет простая идеализированная система — диполь, причем поле (магнитное или электрическое) диполя с требуемой точностью соответствует настоящему и описывается векторной физической величиной — дипольным моментом.

Таким образом, для исследования электромагнитных свойств вещества бывает удобно рассматривать его как группу молекул, каждая из которых обладает неким дипольным моментом. При создании особых условий — например, приложении внешнего поля или охлаждении, диполи могут выстраиваться в упорядоченные структуры, а само вещество при этом — проявлять недоступные в стандартном состоянии свойства, которые удобно использовать на практике. На сегодняшний день упорядоченные состояния в большом количестве известны для систем магнитных диполей, в то время как экспериментальные исследования электрических — менее обширны и по-прежнему остаются сложной задачей.

Ученые из Германии, России, Чехии и Японии под руководством Михаила Белянчикова (M. A. Belyanchikov) из Московского физико-технического института экспериментально обнаружили и исследовали одно из упорядоченных состояний у электродипольной решетки воды — системы из регулярно расположенных в пространстве молекул H₂O. Благодаря распространенности этой жидкости в окружающей среде, поиск таких конфигураций представляет интерес, в том числе, с позиции изучения природных систем и развития биосовместимых технологий. Тем не менее в условиях лаборатории группы молекул H₂O в виде стандартной жидкости или льда не удается перевести в требуемое состояние — этому препятствуют водородные связи — электростатические взаимодействия между молекулами, которые не дают дипольным моментам выстраиваться в нужную конфигурацию.

Чтобы преодолеть влияние водородных связей, физики разместили молекулы воды в наноразмерных (миллионные доли миллиметра) порах природного кристалла кордиерита — в результате расстояние между молекулами составило 5–10 ангстрем (один ангстрем составляет десятимиллионную часть миллиметра и приблизительно соответствует расстоянию между кислородом и водородом в молекуле воды), в то время как водородные связи проявляются на масштабе 1–2 ангстрем. При этом сохранилось дальнее взаимодействие между электрическими дипольными моментами, которое характерно для расстояний в 10–100 ангстрем — молекулы воды образовали трехмерную электродипольную решетку.

Кристаллическая структура кордиерита (слева) и расположение в полостях этой структуры молекул воды (в центре и справа)

M. A. Belyanchikov et al. / Nature, 2020

Готовый образец авторы охлаждали (вплоть до температуры в 0,3 кельвин), а также подвергали воздействию внешнего электрического поля с частотами в диапазоне от герц до мегагерц и в области терагерц, измеряя при этом диэлектрическую проницаемость, теплоемкость, поляризацию образца и возникающий пироэлектрический ток. Те же измерения ученые проводили для кристалла без участия молекул воды — таким образом исследователям удалось извлечь из данных эксперимента информацию о том, как на изменения температуры и внешнего поля реагирует отдельно взятая электродипольная решетка.

Для интерпретации результатов опыта физики использовали также компьютерные симуляции, моделируя взаимодействие системы диполей в диапазоне температур 0,001–300 кельвин и наблюдая за образующейся наноразмерной структурой.

В результате авторам удалось надежно обнаружить сегнетоэлектрический фазовый переход типа «порядок — беспорядок» в электродипольной решетке вблизи 3 кельвин — около этой температуры диэлектрические и термодинамические характеристики группы молекул воды, которые физики измеряли в эксперименте, претерпевали характерные для такого перехода изменения.

Схематическое изображение упорядоченного состояния электродипольной решетки. Стрелками обозначены дипольные моменты отдельных молекул, красные плоскости отвечают сегнетоэлектрическому порядку, синяя — антисегнетоэлектрическому

M. A. Belyanchikov et al. / Nature, 2020

Компьютерные симуляции также продемонстрировали открытый в ходе опыта фазовый переход, а также позволили исследователям установить взаимную ориентацию дипольных моментов в решетке. Оказалось, что полученная структура сочетает в себе два различных вида упорядоченности (проявляющихся в разных плоскостях кристалла): сегнетоэлектрический, при котором дипольные моменты сонаправлены, и антисегнетоэлектрический, при котором направления дипольных моментов в соседних цепочках противоположны.

По словам ученых, наряду с фундаментальной значимостью исследование имеет потенциал и для практического применения — воспроизведение упорядоченных состояний молекул воды в условиях лаборатории, вероятно, позволит достичь лучшего понимания явлений окружающей среды и поможет в создании устройств биосовместимой наноэлектроники.

От редактора

Изначально в заметке ошибочно сообщалось, что исследование опубликовано в Nature, но на самом деле статья вышла в Nature Communications.

Различные фазовые переходы часто становятся предметом исследования разных областей физики. Так, в прошлом году ученые предсказали преобразование формы звездных скоплений вокруг черной дыры, а в позапрошлом — впервые увидели переход азота в жидкое металлическое состояние.

Николай Мартыненко

Информация для учителей

Молекула воды состоит из водорода и кислорода в соотношении двух объемов водорода на каждый объем кислорода, с молекулярной формулой H ₂ O и молекулярным диаметром около 2,75 ангстрем.

Молекулы воды (H ₂ O) симметричны (точечная группа C _2V ), с двумя зеркальными плоскостями симметрии и двойной осью вращения. Атомы водорода состоят из ядра с одним протоном, окруженного одним электроном. Центральный атом молекулы, атом кислорода, имеет ядро ​​с восемью протонами и восемью нейтронами, окруженное восемью электронами.Ядро водорода связано с центральным атомом кислорода одинарной полярной ковалентной связью, в которой разделяется пара электронов. Каждая связь O-H воды состоит из молекулярной орбитали (в соответствии с теорией молекулярных орбиталей), образованной одной из орбиталей 2p атома кислорода и орбитали 1s атома водорода.

Изображение извлечено из: http://www.lsbu.ac.uk/water/h3oorb.html

---

Водяной пар

Вода в газовой фазе состоит из изолированных молекул H ₂ O.Каждая молекула изогнута под углом связи 105 градусов. Отрицательный заряд сосредоточен вокруг атома кислорода. Протоны имеют частичный положительный заряд. Карта электронной плотности (вверху справа) показывает, что электронная плотность вокруг кислорода примерно в 10 раз больше, чем вокруг атомов водорода.

Водяной пар можно идентифицировать и количественно определять по его ИК-спектру и с помощью его микроволнового спектра. Водяной пар концентрируется вблизи поверхности Земли в тропосфере. На нем показан водяной пар в верхних слоях тропосферы и стратосферы в течение летнего сезона 2004 г. Он был получен с помощью прибора Microwave Limb Sounder (MLS) на спутнике НАСА Aura. MLS может одновременно измерять несколько газовых примесей и озоноразрушающих химикатов в верхних слоях атмосферы.

Молекула воды может колебаться по-разному. В газовом состоянии колебания включают комбинации симметричного растяжения (v ₁ ), асимметричного растяжения (v ₃ ) и изгиба (v ₂ ) ковалентных связей с интенсивностью поглощения (H ₂ ¹⁶ O) v ₁ = 0.07; v ₂ = 1,47; v ₃ = 1,00. Дипольные моменты изменяются в направлении движения атомов кислорода. Поскольку атомы водорода легкие, колебания имеют большие амплитуды.

Изображение извлечено из: http://www.lsbu.ac.uk/water/vibrat.html

---

Лед

В отличие от водяного пара, в твердой фазе атомы кислорода в воде находятся в тетраэдре атомов водорода.

Справа — диаграмма, показывающая положение атомов кислорода воды в кубической плотноупакованной решетке.

В центре линий, соединяющих каждый атом кислорода с другим, находится атом водорода.

Связи жесткие внутри ледяной структуры.

---

Жидкая вода

Но, несмотря на ее распространенность и важность, жидкая вода не так хорошо изучена в других фазах.

В недавнем исследовании Нильссон и его коллеги исследовали структуру жидкой воды с помощью рентгеновской эмиссионной спектроскопии и рентгеновской абсорбционной спектроскопии. Эти методы используют рентгеновские лучи, генерируемые синхротронным источником света, для возбуждения электронов в единственном атоме кислорода молекулы воды.Настройка рентгеновских лучей на определенный диапазон энергий может точно выявить местоположение и расположение молекул воды.

Исследователи обнаружили, что вода в основном состоит из тетраэдрических групп, как во льду, но есть также менее определенная структура, которая выглядит как искаженная форма водяного пара с водородными связями.

Атомы кислорода в искаженных молекулах воды имеют 2 сильные связи с водородом и 2 слабые. Кислороды в тетраэдрической ледяной воде имеют 4 эквивалентных связи с водородом.

Даже в своей тетраэдрической форме жидкая вода отличается от льда, потому что связи постоянно разрываются, молекулы воды движутся и образуются новые связи.

Вода плотнее льда из-за того, что молекулы воды удерживаются в отверстиях кубической плотноупакованной решетки.

Ледяная решетка

Водяная решетка

---

Молекулярные орбитали H ₂ O (г)

В этом разделе мы сравним связывание двух связанных молекул в газовой фазе: воды и озона.Наш первый шаг — построить структуру Льюиса для каждой из этих молекул.

VSEPR дает нам структуру.

Каждая молекула имеет ось C ₂ и 2 вертикальные плоскости. Это помещает их в точечную группу C _2v .

Давайте сначала рассмотрим сигма-связывание.

• Для воды нам нужно создать 2 групповые орбитали из атомных 1s-орбиталей водорода.
• Для озона мы делаем 2 групповые орбитали из конечных кислородных 2s-орбиталей.
• В каждом случае одна орбиталь будет иметь 0 узлов, а другая, с более высокой энергией, будет иметь 1 узел.

Обратите внимание, что орбиталь с более низкой энергией (группа 1) преобразуется как A ₁ в группу C _2v , а орбиталь группы с более высокой энергией (группа 2) преобразуется как B ₂ . С какими кислородными орбиталями это будет взаимодействовать? Посмотрим на симметрию.

Из симметрии мы видим, что

• и 2p _z , и 2s-орбитали на центральном кислороде будут взаимодействовать с группой 1 (A ₁ )
• орбиталь 2p _y будет взаимодействовать с группой 2 (B ₂ )
• 2p _x не имеет правильной симметрии для связывания сигма

Давайте объединим орбитали симметрии 2 A ₁ на центральном кислороде (2s и 2p _z ) с групповой орбиталью с такой симметрией.Объединение 3 орбиталей должно дать нам 3 молекулярные орбитали: 1, 2 и 3.

Теперь мы можем объединить орбитали с симметрией B ₂ : 2p _y на центральном кислороде с групповой орбиталью 2. Объединение 2 орбиталей даст нам 2 молекулярные орбитали.

В воде есть оставшаяся орбиталь 2p _x на кислороде, которая не может сочетаться с какой-либо другой орбиталью. Это становится несвязывающей молекулярной орбиталью. В итоге мы получаем 6 молекулярных орбиталей.

• Две нижние орбитали сильно связаны.
• Две верхние орбитали сильно разрыхляют связь.
• Две средние орбитали в значительной степени не связаны. Они могут быть представлены неподеленными парами кислорода в структуре воды Льюиса.

А как насчет озона? Орбиталь 2p _x на центральном кислороде имеет правильную симметрию для объединения с групповой орбиталью, состоящей из 2p _x орбиталей на двух концевых атомах кислорода.

Эти две орбитали могут объединяться, образуя молекулярные орбитали с симметрией 2 пи.Остальные орбитали на концевых атомах кислорода (O ¹ (2p _y ), O ¹ (2p _z , O ³ (2p _y ) и O ³ (2p _z )). ) не связывают.

---

Алмазная решетка конденсированной H

₂ O Структура как жидкой воды, так и твердой воды основана на решетке алмаза. Сначала мы должны рассмотреть более простую структуру — кубическую структуру с замкнутой упаковкой.

В массиве ccp атомы кислорода воды упаковываются как можно ближе, чтобы имитировать пустое пространство.Плотноупакованные структуры начинаются с гексагонально упакованного слоя. Представьте, что вокруг каждого атома упакованы 6 других атомов кислорода.

В любом плотноупакованном массиве атомов или ионов есть как октаэдрические, так и тетраэдрические дырки, в которых могут находиться более мелкие атомы или ионы.

На этом рисунке изображены три слоя атомов или ионов. Посмотрите на первый слой. Есть отверстия, окруженные 3 из этих анионов.

Мы добавляем второй слой (красный) так, чтобы каждый атом или ион помещался в углубление в слое под ним.Некоторые дыры в первом слое закрыты другим атомом или ионом во втором слое. Это четырехгранные отверстия. Другие отверстия не закрываются таким образом. В эти октаэдрические отверстия могут поместиться атом или ион большего размера, которые окружены 3 анионами из одного слоя и 3 из другого слоя.

Третий слой покрывает эти октаэдрические отверстия в наслоении ABC кубической плотноупакованной структуры (ccp).

Наименьшей повторяющейся единицей регулярной трехмерной структуры является элементарная ячейка.Справа внизу изображен простой куб, разделенный на 8 кубиков меньшего размера. Если бы атомы кислорода занимали вершины большого куба и были центрированы на каждой грани, они были бы в элементарной ячейке кубического плотноупакованного массива. Этот вид насадки еще называют гранецентрированной кубической.

Во льду атомы кислорода также занимают центры 4 из 8 меньших кубиков. Линии, которые соединяют каждый внутренний атом кислорода с кислородом вершины и 3 атомами кислорода на гранях большого куба, на самом деле соединяют атомы водорода: единицы O-H-O.

Каждый атом кислорода находится в тетраэдре атомов водорода.

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, используйте 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 файлах 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.

Молекула воды — обзор

Дипольные взаимодействия

Роль и порядок величины энергий дипольного взаимодействия можно проиллюстрировать рассмотрением систем с участием молекулы воды. Используемая здесь модель включает упрощение представления молекулы H ₂ O с ее (приблизительно) тетраэдрически расположенными связями и двумя неподеленными парами электронов сферической молекулой со средней поляризуемостью α (1 · 48,10 ⁻²⁴ см). ³ ) и дипольный момент μ (1 · 85 D), последний расположен в его центре, т.е.е. на О-ядре.

На расстоянии r от иона с зарядом e электрическое поле ( e / r ² ) и диполь μ, ориентированный по линии поля, стабилизируется энергией — μE cosθ = −eμ / r ² . Это источник большей части энергии, стабилизирующей гидратацию ионов; для этого энергию взаимодействия, приходящуюся на одну молекулу воды, можно записать в виде

U (r) = brn − eμr2

, где b / r ⁿ — член энергии отталкивания.При равновесном разделении ( r _e ) [dU / dr] r = re равно нулю, т.е.

dUdr = −nbrn + 1 + 2eμr3

или

bren = 2eμre3 · ren = 2eμnre2U (re) = −eμre2 [1−2n]

Разумные значения показателя степени n находятся в диапазоне от 8 до 12, что приводит к чистым энергиям −34 (eμ / re2 и −56 (eμ / re2. В гидратах одновалентных ионов ( скажем, Na ⁺ ) e = 4 · 80.10 ⁻¹⁰ cgs единиц, r _e составляет от 2 · 1 до 2 · 3 Å, поэтому типичная энергия на молекулу воды составляет

— 34 × 4 · 80 × 10−10 × 1 · 85 × 10−18 (2 · 2) 2 · 10−16 = −1 · 36 · 10−12erg молекула − 1 = −19 · 6 ккал · моль − 1

Это очевидно, является основным фактором наблюдаемой теплоты гидратации, которая для Na ⁺ составляет порядка 24 ккал · моль ^-1 воды.Аналогичные соображения применимы при образовании многих аммиатов, например Cu (NH ₃ ) ₄ SO ₄ . В кристаллическом состоянии r _e (Cu — NH ₃ ) составляет 2 · 05 Å; используя e = 2 (4 · 80) × 10 ⁻¹⁰ с.г. единицы; μ (NH ₃ ) = 1 · 47 × 10 ⁻¹⁸ с.г. единицы; n = 8; энергия на NH ₃ составляет 36 · 3 ккал · моль ^-1 .

Возвращаясь к воде, точная структура определяется в решетке льда, где каждая молекула окружена четырьмя тетраэдрически расположенными партнерами на расстоянии 2 · 76 Å.Рассматривая одну пару таких партнеров, имеем:

диполь-дипольная энергия = −2μ2re2 = −2 (1 · 85) 2 × 10−36 (2 · 76) 3 · 10−24 = −33 · 0 · 10−14erg молекула − 1

диполь-индуцированная дипольная энергия = −12re6 [4μ2α] = — 2 (1 · 85) 2 × 10−36 × 1 · 48 × 10−24 (2 · 76) 6 × 10−48 = −2 · 2 × 10−14erg молекула − 1

энергия дисперсии = −34hνα2re6 = −34 × 12 · 6 × 1 · 60 × 10−12 × (1 · 48) 2 × 10−48 (2 · 76) 6 × 10 −48 = −7 · 6 · 10−14erg молекула − 1

Последний член содержит энергию ионизации, которая принята равной 12 · 6 эВ для H ₂ O = 12 · 6 · 1 · 60 · 10 ⁻¹² эрг молекулы ^-1 .Приведенные цифры иллюстрируют относительные порядки величин различных терминов. Когда член отталкивания также включен, суммарный эффект близко аппроксимируется вкладом диполь-дипольного взаимодействия.

Запись полного взаимодействия между двумя молекулами H ₂ O во льду

undefinedU (r) = brn − c′r3 − c ″ r6c ′ = 2μ2 = 6 · 78 × 10−36c.g.s. ед .; c ″ = [2μ2α + 34hνα2] = 43 · 0 × 10−60c.g.s. ед.

Условие равновесия, r = r _e , определяется по формуле:

dU (r) dr = −nbren + 1 + 3c′re4 + 6c′′re7 = 0bren = 3c′nre3 + 6c′′nre6U (re) = — c′re3 [1−3n] −c′′re6 [1−6n]

Используя n = 12, re = 2 · 76 × 10−8 см; U (re) = — 34.0 · 323 × 10−12−12,0 · 097 · 10−12 = −0 · 291 · 10−12erg молекула − 1 = −4 · 2 ккал · моль − 1

Каждая молекула воды во льду имеет четырех соседей и две молекулы разделяют в каждой из этих четырех «ссылок». Соответственно, при переходе в разбавленное газообразное состояние на одну молекулу воды разрываются две такие связи: соответствующая энергия, наблюдаемая как теплота сублимации льда, составляет 12 · 2 ккал · моль ^-1 . Значение, вычисленное в простой модели выше, составляет 8 · 4 ккал · моль ^-1 . Гораздо более тесное согласие с наблюдениями достигается, если производится более полный расчет ^* с учетом геометрических факторов, локализации диполей (O — H) и т. Д.Результаты некоторых других расчетов, подобных приведенным для молекулы воды, можно процитировать:

(1)

Можно показать, что второй вириальный коэффициент для водяного пара дает r _e = 2 · 76 Å. и b = 47 × 10 ⁻⁶⁰ эрг см ⁶ в уравнении (36): эти цифры очень хорошо согласуются с другими оценками их значений. Аналогично для аммиака r _e = 3 · 18Å; b (по данным вириального коэффициента) = 78 × 10 ⁻⁶⁰ эрг см ⁶ ; b (теоретическое) = 70 × 10 ⁻⁶⁰ эрг см ⁶ .Энергии взаимодействия пар молекул в паре равны:

U (re) (Nh4 ⋯ Nh4) = 1 · 4 ккал · моль − 1

(2)

Из изменения температуры второго вириала. коэффициенты для CH ₃ OH, C ₂ H ₅ OH и C ₆ H ₆ их соответствующие энергии межмолекулярного парного взаимодействия равны 5 · 1 ± 0 · 3, 4 · 5 ± 0 · 3 , 2 · 2 ± 0 · 8 ккал · моль ^-1 . Первые два возникают в основном из диполь-дипольного члена, последний (C ₆ H ₆ ) обусловлен поляризуемостью молекулы бензола, дающей большой член дисперсионной энергии.

(3)

Очень многие органические молекулы образуют комплексы простого состава A — B . Одна типичная группа соединений представлена ​​ A = 1,3,5-тринитробензол, C ₆ H ₃ (NO ₂ ) ₃ ; B = нафталин (C ₁₀ H ₈ ). В этом случае локализованный диполь (NO ₂ ) индуцирует заметный момент в-электронной системе нафталина. Некоторые типичные данные приведены в таблице 36.

ТАБЛИЦА 36. Поляризуемости и энергии связи в комплексах тринитробензол-ароматические углеводороды

Углеводород (R)	10 24 α (R) см 3	U (re) calc	U (re) ) obs в CCl 4 в ккал · моль −1
Бензол	10 · 4	1 · 8	0 · 6
Стирол	14 · 2	2 · 6	1 · 8
Нафталин	18 · 2	3 · 1	3 · 4
Антрацен	30 · 8	4 · 6	4 · 4

Роль поляризуемости в этих случаях четко установлена.

Наука на расстоянии

	Особый случай воды
Молекула Воды	Молекула воды состоит из двух атомов водорода, связанных ковалентными связями с одним и тем же атомом кислорода. Атомы кислорода электроотрицательны и притягивают общие электроны своими ковалентными связями.Следовательно, электроны в молекуле воды проводят немного больше времени вокруг атомного центра кислорода и меньше времени вокруг атомных центров водорода. Следовательно, ковалентные связи полярны, а атомы кислорода имеют небольшой отрицательный заряд (из-за наличия дополнительной доли электронов), в то время как атомы водорода слегка положительны (из-за дополнительных ненейтрализованных протонов).
Водородные связи	Противоположные заряды притягиваются друг к другу.Небольшие положительные заряды на атомах водорода в молекуле воды притягивают небольшие отрицательные заряды на атомах кислорода других молекул воды. Эта крошечная сила притяжения называется водородной связью . Эта связь очень слабая. Водородные связи легко образуются, когда две молекулы воды сближаются, но легко разрываются, когда молекулы воды снова расходятся. Они составляют лишь небольшую часть прочности ковалентной связи, но их много, и они придают некоторые очень особенные свойства веществу, которое мы называем водой.
Вода — жидкость при комнатной температуре	Более трех четвертей планеты Земля покрыто водой. Жизнь, вероятно, зародилась в такой жидкой среде, и вода является основным компонентом живых существ (люди на 60 процентов состоят из воды). При комнатной температуре (от нуля до 100 градусов по Цельсию) вода находится в жидком состоянии. Это из-за крошечных слабых водородных связей, которые миллиардами удерживают молекулы воды вместе в течение небольших долей секунды.
	Молекулы воды постоянно находятся в движении. Если они двигаются достаточно быстро, они превращаются в газ. Газ — это физическое состояние вещества, в котором молекулы находятся далеко друг от друга и движутся очень быстро. Но из-за водородных связей, когда молекулы воды собираются вместе, они прилипают друг к другу на небольшой, но значительный промежуток времени. Это замедляет их и прижимает ближе друг к другу.Они становятся жидкостью; другое состояние вещества, где молекулы ближе и медленнее, чем в газе. Таким образом, молекулярная вода представляет собой жидкость при комнатной температуре, и этот факт чрезвычайно важен для всего живого на этой планете.
Вода — универсальный растворитель	Все растворяется в воде. Камень, железо, кастрюли, сковороды, тарелки, сахар, соль и кофейные зерна растворяются в воде.Растворяющиеся вещества называются растворенными веществами , а жидкость, в которой они растворяются, называется растворителем . Сильно полярные вещества (вещи с положительным и / или отрицательным зарядом) легко притягивают молекулы воды. Молекулы воды окружают заряженное растворенное вещество; положительные атомы водорода, близкие к отрицательным зарядам, и отрицательные атомы кислорода, близкие к положительным зарядам молекулы растворенного вещества. Все это взаимодействие приостанавливает молекулу растворенного вещества в море молекул воды; легко диспергируется и растворяется.
Неравный обмен	Электроны в связях между идентичными атомами (H-H) распределяются равномерно, поэтому электроны проводят равное количество времени вокруг каждого атомного центра. Эти ковалентные связи неполярные . Электроны разделены между непохожими атомами не делятся поровну, один атом получает больше обычных электронов и, таким образом, имеет слегка отрицательный заряд.Остальные атомы получают меньше, чем полную долю электронов, и поэтому заряжены слегка положительно. Вещества, которые легко и быстро растворяются в воде (сахар, соль и т. Д.), Называются водолюбивыми или гидрофильными веществами. С другой стороны, некоторые растворенные вещества неполярны и не имеют положительных или отрицательных зарядов. Молекулы воды не притягиваются к этим типам молекул (а иногда даже отталкиваются ими). Хотя крошечные количества этих веществ (пластик, масло и т. Д.) будут растворяться и растворяются в воде, большинство их молекул просто образуют границу, когда они вступают в контакт с водой, и остаются отдельными объектами. Вещества, которые плохо растворяются в воде, называются водобоязненными или гидрофобными веществами.

Сколько молекул находится в капле воды?

Вы когда-нибудь задумывались, сколько атомов в капле воды или сколько молекул в одной капле? Ответ зависит от вашего определения объема капли воды.Капли воды сильно различаются по размеру, поэтому это начальное число определяет расчет. Остальное — это простой химический расчет.

Давайте использовать объем капли воды, который используется медицинским и научным сообществом. Принятый средний объем капли воды составляет точно 0,05 мл (20 капель на миллилитр). Оказывается, в капле воды содержится более 1,5 секстиллионов молекул и более 5 секстиллионов атомов в капле.

Химическая формула воды

Чтобы рассчитать количество молекул и атомов в капле воды, вам необходимо знать химическую формулу воды.В каждой молекуле воды есть два атома водорода и один атом кислорода, что составляет формулу H ₂ O. Итак, каждая молекула воды содержит 3 атома.

Молярная масса воды

Определите молярную массу воды. Сделайте это, сложив массу атомов водорода и кислорода в моль воды, найдя атомную массу водорода и кислорода в периодической таблице. Масса водорода 1,008 г / моль, а масса кислорода 16,00 г / моль, поэтому массу моля воды можно рассчитать следующим образом:

масса воды = 2 x масса водорода + масса кислорода

масса воды = 2 х 1.008 + 16

масса воды = 18,016 г / моль

Другими словами, один моль воды имеет массу 18,016 грамма.

Плотность воды

Используйте плотность воды, чтобы определить массу воды на единицу объема. Плотность воды на самом деле варьируется в зависимости от условий (холодная вода более плотная, теплая вода менее плотная), но обычно в расчетах используется значение 1,00 грамм на миллилитр (1 г / мл). Другими словами, 1 миллилитр воды имеет массу 1 грамм.Капля воды — это 0,05 мл воды, поэтому ее масса будет 0,05 грамма.

Один моль воды составляет 18,016 грамма, поэтому в 0,05 грамма в одной капле количество молей составляет:

• моль воды в одной капле = 0,05 грамма x (1 моль / 18,016 грамма)
• моль воды в одной капле = 0,002775 моль

Использование числа Авоградо

Наконец, используйте число Авогадро, чтобы определить количество молекул в капле воды. Число Авогадро говорит нам, что их 6.022 x 10 ²³ молекул воды на моль воды. Итак, теперь мы вычисляем, сколько молекул содержится в капле воды, которая, как мы определила, содержит 0,002775 моль:

• молекул в капле воды = (6,022 x 10 ²³ молекул / моль) x 0,002275 моль
• молекул в капле воды = 1,67 x 10 ²¹ молекул воды

Другими словами, в капле воды содержится 1,67 секстиллионов молекул воды.

Теперь количество атомов в капле воды в 3 раза больше количества молекул:

• атомов в капле воды = 3 атома / молекула x 1.67 x 10 ²¹ молекул
• атомов в капле воды = 5,01 x 10 ²¹ атомов

Или в капле воды содержится около 5 секстиллионов атомов.

Атомы в капле воды vs. капли в океане

Один интересный вопрос заключается в том, действительно ли в капле воды атомов больше, чем в каплях воды в океане. Чтобы определить ответ, нам понадобится объем воды в океанах. По оценкам источников, это значение находится между 1.3 млрд км ³ и 1,5 км ³ . Я буду использовать значение USGS (Геологическая служба США) 1,338 млрд км ³ для расчета выборки, но вы можете использовать любое число, которое захотите.

1,338 км ³ = 1,338 x 10 ²¹ литров морской воды

Теперь ваш ответ зависит от размера вашей капли, поэтому вы разделите этот объем на объем капли (0,05 мл или 0,00005 л или 5,0 x 10 ^-5 л — среднее значение), чтобы получить количество капель воды в капле. океан.

количество капель воды в океане = 1,338 x 10 ²¹ литров общий объем / 5,0 x 10 ^-5 литров на каплю

количество капель воды в океане = 2,676 x 10 ²⁶ капель

Итак, в океане больше капель воды, чем атомов в капле воды. Сколько еще капель зависит в основном от размера ваших капель, но на 1000–100000 капель воды в океане больше, чем атомов в капле воды .

Источник

Gleick, P.H. «Где вода Земли». Распределение воды на Земле. Геологическая служба США, 28 августа 2006 г.

Сколько молекул воды составляет каплю? | Research

Итальянские исследователи выяснили, сколько молекул воды необходимо для сольватации одной. «Мы обнаружили, что молекула воды ведет себя как в стакане с водой, когда ее окружают всего 20 молекул воды», — объясняет Микеле Чеотто из Миланского университета, руководивший работой.

Показать в полноэкранном режиме

Моделируя колебательные спектры кластеров воды увеличивающегося размера с помощью квантовой полуклассической спектроскопии, Чеотто и его команда попытались выяснить, совпадают ли спектры со спектрами объемной воды. «С помощью всего лишь нескольких молекул воды, которые составляют до двух сольватных оболочек, физика вибрации в жидкой воде восстанавливается», — объясняет Чеотто. При простом описании воды отдельные молекулы можно рассматривать как двойные доноры и двойные акцепторы водородных связей.И хотя результаты команды Ceotto показывают, что тетраэдрическая координация необходима, они предполагают, что она сама по себе недостаточна, чтобы отражать объемную воду.

Мартина Хавенит-Ньюен из Рурского университета в Бохуме в Германии, которая также изучала кластеры воды с помощью спектроскопии, не считает результаты удивительными. «Я имею в виду, вода — это странное вещество!» — говорит она. «Известно, что нам действительно трудно это описать. Если у вас есть модель с двумя или тремя молекулами воды, ясно, что вы не можете полностью описать объем.’

Команда

Ceotto использовала квантовый метод, который позволил им исследовать комбинированную полосу воды — широкий пик в колебательном спектре. Эти сигналы возникают при объединении переходов, задаваемых двумя модами колебаний. В случае воды эта полоса возникает из-за связи изгибных связей O – H с либрирующими движениями молекулы, в которой она вращается вперед и назад. Классическое моделирование не может воспроизвести их, но было важно продемонстрировать соответствие между этой частью спектра для центральной молекулы в кластере и для объемной воды, чтобы быть уверенным, что все колебательные характеристики воды были захвачены.

Чеотто надеется, что эта работа может быть больше, чем просто исследование свойств воды: «Не только электронное движение требует квантовой обработки; также необходимо включить квантово-механические эффекты для правильного описания ядерного движения. Моя главная цель — предоставить сообществу надежный протокол молекулярной динамики, способный включать квантовые эффекты и точно описывать молекулярную механику ». Будущая работа команды будет посвящена квантовому ядерному описанию макромолекул.

Этот первый абзац статьи был обновлен 24 января 2021 г.

»Насколько велики биохимические гайки и болты?

Насколько велики биохимические гайки и болты?

Reader Mode

В учебной картине молекул жизни преобладают нуклеиновые кислоты и белки, в немалой степени из-за их увлекательной связи через процессы центральной догмы. С другой стороны, эта картина ужасно искажена биохимически, потому что многие ключевые реакции даже в центральной догме не произошли бы вообще, если бы не множество биохимических союзников, таких как вода и многие ионы, которые необходимы в качестве кофакторов для ферменты, которые заставляют эти реакции идти.Кроме того, мы не можем забыть сами субстраты, а именно нуклеотиды и аминокислоты, из которых построены известные нуклеиновые кислоты и белки. Активизируют всю эту активную деятельность небольшие молекулы сахара, энергоносители, такие как АТФ и другие метаболиты. В этом эпизоде ​​мы оцениваем размеры многих биохимических «гаек и болтов», которые обеспечивают молекулярный фон для жизни клеток, как показано на Рисунке 1.

Рис. 1: Структурный вид некоторых основных компонентов клетки.

Вероятно, самая важная биохимическая гайка и болт из всех — это вода. Не случайно поиск жизни за пределами Земли часто начинается с вопроса: а есть ли вода? Хотя отчасти причиной этого может быть недостаток представления о том, как могут выглядеть другие химические вещества, поддерживающие жизнь, простейшая причина этой одержимости водой заключается в том, что без нее жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, не могла бы существовать. Один из самых простых способов охарактеризовать размер молекулы воды, которая является удобной стандартной молекулярной линейкой для биологии, — это примерно 0.Связь 1 нм (BNID 106548) между атомами водорода и кислорода. Поскольку молекулы воды не являются сферически симметричными, такой молекуле трудно определить эффективный радиус. В качестве другой оценки размера молекулы воды мы обращаемся к среднему расстоянию между такими молекулами, используя плотность воды. В частности, учитывая, что на литр приходится 55 моль воды, мы находим, что объем молекулы воды составляет 0,03 нм ³ , а среднее расстояние между молекулами примерно равно 0.3 нм (BNID 106548). Мы также сочтем удобным использовать массу воды 18 Да как способ сравнения размеров этих различных молекулярных игроков.

Мы все пришли из океана. Несмотря на нашу человеческую зависимость от пресной воды для питья и содержания многих растений и животных, которые нас кормят, настоящая биологическая вода несет на себе отпечаток нашего водного происхождения в океане. Наше первое впечатление при прыжке в океан (кроме того, что он холодный!), Вероятно, — это соленый привкус, который он оставляет на наших языках.Простую оценку солености океана можно получить, вспомнив, что в килограмме воды содержится примерно 55 моль молекул воды (т.е. 1000 г / 18 г / моль). В этой же морской воде содержится примерно 1 моль соли (BNID 100802), что означает, что 1 из каждых 55 молекул — ион. Если мы заглянем внутрь клеток, мы обнаружим ряд различных ионов, таких как H ⁺ , Na ⁺ , K ⁺ , Mg ²⁺ и Cl ^—, которые в сумме составляют примерно четверть концентрации. морской воды, как описано в виньетке «Каковы концентрации различных ионов в клетках?».Размеры этих ионов можно уловить с помощью так называемых ионных радиусов, которые задаются формулами Na ⁺ = 0,09 нм, K ⁺ = 0,13 нм, Mg ²⁺ = 0,07 нм и Cl ^— = 0,18. нм (BNID 108517, 104162, 109742, 109743, 103950). Эти ионные радиусы выявляют так называемый «голый» ионный радиус, тогда как гидратированный ионный радиус обычно намного больше и более схож между ионами и составляет 0,3-0,4 нм (BNID 108517). Эти окружающие молекулы воды обмениваются в масштабе времени от микро до наносекунд (BNID 108517).Радиусы гидратированных ионов показаны в масштабе рядом с другими болтами и гайками ячейки на Рисунке 1.

Для создания нуклеиновых кислот и белков клетки требуются молекулярные строительные блоки. Нуклеотиды, которые являются строительными блоками нуклеиновых кислот, имеют массу ≈300 Да. Их физический размер сравнивается с водой в галерее, показанной на рисунке 1, хотя мы также можем почувствовать этот размер, вспомнив, что двойная спираль ДНК имеет радиус примерно 1 нм и среднее расстояние между основаниями вдоль цепочки 1 / 3 нм.Это означает, что плазмида размером, скажем, 10 т.п.н. будет иметь окружность около 3000 нм, то есть диаметр около 1 микрона. Обычное изображение плазмид в виде маленьких кружков внутри бактерий легко понять, но не учитывает физический размер плазмид. Действительно, плазмиды в клетках должны быть свернуты, чтобы соответствовать им. Аминокислоты, из которых состоят белки, варьируются по размеру от крошечного глицина с молекулярной массой примерно 75 Да до 204 Да триптофана, крупнейшей из встречающихся в природе аминокислот. .Их соответствующие длины варьируются от 0,4 до 1 нм (BNID 106983). Принятие значения массы белкового полимера в 100 Да на ак.о. является очень полезным и удобным в расчетах практическим правилом. Здесь также размеры аминокислот по отношению к молекуле воды показаны на рисунке 1.

Такой упор на нуклеиновые кислоты и белки может привести к тому, что мы забудем о решающей роли, которую играют в жизни клеток как липиды, так и сахара. Возникающая область липидомики показала, что так же, как существует огромное разнообразие в характере многих белков, населяющих клетки, мембраны клеток и их органеллы одинаково характеризуются сильно различающимися концентрациями всего спектра различных липидов (см. виньетка «Какие липиды наиболее распространены в мембранах?»).Проще говоря, липиды, составляющие эти мембраны, имеют площадь поперечного сечения от 0,25 до 0,5 нм ² и длину порядка 2 нм, как показано на Рисунке 1. В более общем плане длины липидных цепей продиктованы количество атомов углерода, которые они содержат, с практическим правилом, что L = a + bxn, где n — количество атомов углерода в хвосте, а a и b — константы, обозначающие, соответственно, размер концевой группы вне углеродной цепи и удлинение длины на атом углерода. Как правило, массы липидов составляют от 700 до 1000 Да.

Клеточная жизнь питается рядом других ключевых молекул, помимо тех, которые обсуждались до сих пор. Для выращивания новых клеток биологи используют различные виды питательных сред, но одними из самых стандартных ингредиентов в таких средах являются сахара, такие как глюкоза. С химической формулой C ₆ H ₁₂ O ₆ , глюкоза имеет молекулярную массу 180 Да. Структурно молекула глюкозы представляет собой 6-членное кольцо, как показано на рисунке 1, с типичной длиной углерод-углеродной связи ≈0,15 нм и общим размером молекулы примерно 1 нм, измеренным по длинной оси циклической формы или по длине форма открытой цепочки (BNID 110368, 106979).Как только сахара присутствуют в клетке, они могут быть реконструированы для создания углеродных скелетов молекул, таких как нуклеотиды и аминокислоты, описанные выше, а также для синтеза ключевых энергоносителей, таких как АТФ. Размер АТФ (эффективный диаметр диффузии ≈1,4 нм, BNID 106978) сравнивается с остальными биохимическими гайками и болтами на Рисунке 1.