Вода, водородные связи молекул — Справочник химика 21
Можно рассмотреть такой пример водородной связи. В обычной воде водородная связь имеет место между атомами водорода одной молекулы и атомами кислорода другой молекулы, что может быть представлено такой структурной формулой [c.29]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.
Катионы связаны с молекулами воды донорно-акцеп-торной связью донором являются атомы кислорода, имеющие две свободные электронные пары, акцептором — катионы, имеющие свободные электронные ячейки. Чем больше заряд иона и чем меньше его ра шер, тем значительнее будет катионная доля поляризующего действия К» на Н2О. Анионы связаны с молекулами воды водородной связью. Сильное влияние может принести к полному отрыву протона— водородная связь становятся ковалентной. До-норная активность А» будет тем значительнее, чем больше п и меньше В зависимости от силы поляризующего
Ассоциация молекул и структура жидкостей. Молекулы таких жиД Хостей, как НР, вода и спирты, могут при образовании водородных связей выступать как акцепторы и доноры электронного заряда одновременно. В результате этого образуются димеры (НР)2, (НзО) , (СНзОН)2 и т. д. Однако ассоциация на этом не останавливается, образуются тримеры, тетрамеры и т. д., пока тепловое движение не разрушает образовавшеюся кольца и]ш цепочки молекул. Энергия на одну водородную связь в таких цепочках возрастает с числом молекул в димере воды 26,4, в тримере 28,4 кДж/моль, Для фтористого водорода в цепочках (НР)2, (НР)з, (НР)4 и (НР)5 и в кольце (НР)б на одну водородную связь приходится 28,9 32,5, 34,6 36,9 и 39,5 кДж/моль соответственно [к-32]. Когда тепловое движение понижено (в кристалле), через водородные связи создается кристал тическая структура. Известная аномалия плотности воды и льда обусловлена водородными связями в кристаллах льда каждая молекула воды связана с четырьмя соседями водородными связями через две неподеленные пары атома кислорода молекула образует две донорные Н-связи и через два атома Н — две акцепторные. Эти четыре связи направлены к вершинам тетраэдра. Образующаяся гексагональная решетка льда благодаря этому не плотная, а рыхлая, в ней большой объем пустот. При плавлении порядок, существующий в кристалле (дальний порядок), нарушается, часть молекул заполняет пустоты и плотность жидкости оказывается выше плотности кристалла. Но в жидкости частично сохраняется льдообразная структура вокруг каждой молекулы (б.иижний порядок). Эта структура воды определяет многие свойства воды и растворов. Структурированы и спирты, но по-иному, так как молекула спирта образует одну донорную и одну акцепторную связь. Эта структура разрушается тепловым движением значительно легче. Возможно структурирование и смещанных растворителей, как водно-спиртовые смеси и др. Оказывая особое влияние на структуру воды, водородные связи налагают отпечаток на всю термодинамику водных растворов, делая воду уникальным по свойствам растворителем.
В кластерах с КЧ = 6 молекулы воды расположены вокруг ионов по вершинам слегка искаженных октаэдров. В случае К+ эти октаэдры искажены несколько больше, чем октаэдры вокруг Ыа+. Между молекулами воды, образующими первую гидратную оболочку иона Ыа+ в / -структурах, водородная связь никогда не образуется. Среди / -структур кластеров К(Н20) иногда возможны такие, в которых молекулы первой гидратной оболочки соединены водородной связью. Молекулы воды, принадлежащие ко второй гидратной оболочке, образуют, естественно, водородные связи как друг с другом, так и с молекулами, составляющими ближайшее окружение иона.
Современные методы физико-химического анализа не позволяют, к сожалению, классифицировать водородные связи молекул воды с веществом торфа по энергии. В частности, в соответствующей области ИК-спектров наблюдается широкая полоса поглощения. Но феноменологическое разделение по энергии водородных связей молекул воды с органической частью торфа можно дать с определенной степенью достоверности, исходя из химического состава и структуры макромолекул отдельных компонентов. [c.64]
Поскольку гидратация анионов осуществляется за счет водородной связи, в результате поляризационного взаимодействия между комплексообразователем (анионом) и молекулами воды водородная связь может перейти в ковалентную. При этом может происходить отрыв протона от молекулы воды и присоединение его к аниону
Фуппы (-СОО -NHз и др.), а гидратация полярных заместителей — ориентацией молекул воды в результате образования водородных связей. Молекулы гидратно-связанной белком воды можно представить в виде монослоя вокруг ионизированных И полярных групп полипептида, в то время как гидрофобные ра- [c.359]
Гидролиз по аниону можно представить как результат поляризационного взаимодействия аниона и связанных с ним водородной связью молекул воды [c.185]
Аналогично вюртциту построены кристаллы льда. Если заменить атомы цинка и серы в вюртците молекулами воды, то получим структуру льда. Фрагмент этой структуры показан на рис. 1.80. Каждая молекула НаО в кристалле льда соединена водородными связями с четырьмя другими молекулами. Водородные связи молекул имеют тетраэдрическую направленность, обусловленную тетраэдрическим расположением 5р -гибридных орбиталей
Аналогично вюртциту построен лед. Если мы заменим атомы цинка и серы в вюртците молекулами воды, то получим их расположение в структуре льда. Фрагмент этой структуры показан на рис. 141. Каждая молекула в структуре льда соединена водородными связями с четырьмя другими водородные связи молекул имеют тетраэдрическую направленность, обусловленную тетраэдрическим расположением sp -гибридных орбиталей атома кислорода, две из которых дают ковалентную связь с атомами водорода, а две другие заняты неподеленными электронными парами, которые притягиваются ионами водорода соседних молекул НгО. На рис. 141 черные кружки показывают положение водорода, а штриховка — область, где сосредоточен отрицательный заряд.
Согласно механизму а, во время атаки воды основание оттягивает протон, поэтому общим результатом будет присоединение ОН . Такое возможно, так как основание еще до атаки связано с молекулой воды водородными связями. Согласно механизму б, поскольку между НВ и кислородом карбонильной группы уже существует водородная связь, при атаке воды происходит
Долгое время необычные свойства воды были загадкой для ученых. Выяснилось, что они в основном обусловлены тремя причинами полярным характером молекул, наличием неподеленных пар электронов у атомов кислорода и образованием водородных связей. Молекула воды (рис. X1V.2, а) может быть представлена в виде равнобедренного треугольника, в вершине которого расположен атом кислорода, а в основании — два протона (рис. XIV.2, б). Две пары электронов обобществлены между протонами и атомом кислорода, а две пары неподеленных электронов ориентированы по другую сторону кислорода. Длина связи О—И составляет 96 нм, а угол между связями 105°. Связь О—Н имеет полярный характер, молекула воды также полярна. Благодаря полярности вода хорошо растворяет полярные жидкости и соединения с ионными связями. Наличие неподеленных пар электронов у кислорода и смещение обобществленных электронных пар от атомов водорода
Ассоциация молекул спиртов, так же как и воды, происходит благодаря возникновению так называемых водородных связей. Водородная связь — особый вид связи она осуществляется между двумя электроотрицательными атомами (О, Ы, Р) водородом, соединенным с одним из них ковалентной связью (стр. 26). У молекул воды водородные связи образуются между атомами кислорода. [c.106]
Характерной особенностью межмолекулярных водородных связей является их направленность три атома Л, Н и 5, участвующие в образовании водородной связи, расположены на одной прямой. При этом расстояние Л — Н…В для различных веществ составляет 2,5— —2,8 А. Посредством водородных связей молекулы объединяются в димеры и полимеры. Такая ассоциация молекул приводит к повышению температуры плавления и кипения, увеличению теплоты парообразования, изменению растворяющей способности. Водородные связи обусловливают аномально высокую диэлектрическую проницаемость воды и спиртов по сравнению с диэлектрическими свойствами других жидкостей, молекулы которых имеют дипольные моменты того же порядка взаимную ориентацию молекул в жидкостях и кристаллах параллельное расположение полипептидных цепочек в структуре белка поперечные связи в полимерах и в двойной спирали молекулы ДНК. Благодаря своей незначительной прочности водородная связь играет большую роль во многих биологических процессах. Характерно, что молекулы, соединенные водородными связями, сохраняют свою индивидуальность в твердых телах, жидкостях и газах. В то же время они могут вращаться, переходить таким путем на одного устойчивого положения в другое. Кроме водорода промежуточным атомом, соединяющим два различных атома, может служить дейтерий, который, как водород, расположен на линии А П…В. При такой замене водорода на дейтерий энергия связи возрастает до нескольких десятков джоулей на 1 моль.
Таким образом, в случае отсутствия заметных водородных связей молекула кристаллизационной воды имеет рефракцию 3,35 0,1 см . Это значение сопоставлено в табл. 79 с рефракциями твердой и жидкой воды и кри- [c.180]
При дальнейшем нагревании воды водородные связи разрываются в еще большей степени, однако, освобождаемые молекулы еще входят в сохранившиеся остатки кристаллической структуры льда, поэтому плотность воды увеличивается. Только при температуре выше -t-4 °С начинает преобладать тепловое движение молекул, объем ее начинает возрастать, а плотность уменьшаться. Аномально высокие температуры замерзания и кипения воды также обусловлены водородными связями между ее молекулами. [c.28]
Водородные связи образуются также между молекулами воды, многих органических соединений и отдельными частями больших молекул. Благодаря водородным связям молекулы объединяются в ассоциаты. Например, структура фтороводорода соответствует формуле (НР) , где п = 2 -Н 6. [c.57]
Из физической химии известно, что водородная связь характерна для соединений, содержащих атомы кислорода, фтора и в меньшей степени азота Она проявляется тем сильней, чем больше электроотрицательность атомов-партнера и чем меньше его размеры, т.е. молекулярная масса. Электроннографическими исследованиями установлено, что благодаря водородным связям молекулы могут объединяться в димеры и даже полимеры. Способностью к ассоциации отличаются вода, спирты, карбоновые кислоты, фтороводород, аммиак и многие другие. Ассоциация приводит к повышению температур [c.64]
Вследствие наличия водородной связи молекулы воды ориентируются относительно одна другой, образуя связи, изображенные на схеме, приведенной ниже, пунктиром [c.39]
Анионы А»- связываются с молекулами воды водородной связью. Сильное воздействие анионов может привести к полному отрыву протона — водородная связь становится ковалентной — анион входит в состав молекулы кислоты (или аниона видй HS , НСОз и т.п.). Взаимодействие анионов с протонами А»-Тем значительнее, чем больше п и меньше г (А»-). В зависимости от силы поляризующего влияния К»» » и А» на молекулы Н2О будут получаться различные результаты. Так, KaTHOHiJ 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 перБых менее эффективно экранируются -электронами, [c.265]
При низких температурах жидкая вода имеет аномально высокую энергию взаимодействия молекул друг с другом. Эта энергия взаимодействия обусловлена существованием между молекулами воды водородных связей. Наиболее эффективные водородные связи образуются в условиях, в которых каждая молекула воды окружена четырьмя ближайшими молекулами воды, ориентированными к центральной молекуле приблизительно под равными углами. В жидкой воде при низких температурах описанное расположение молекул воды является преобладающим. Это расположение молекул воды напоминает структуру твердого льда . Из-за малого числа ближайших соседних молекул (четыре) указанная структура далека от «плотной упаковки» и имеет пустоты. [c.161]
В медном купоросе Си504-5Н20 вокруг Си (II) координированы четыре молекулы воды в плоскости и две 504 -группы по оси. Пятая молекула Н2О играет роль мостика, объединяющего водородными связями молекулы Н. 0 в плоскости и 504 -группу [c.627]
Кинетические данные показывают, что аналогично влияет температура на длительность коагуляции. Из данных по зависимости длительности разделения фаз от температуры могут быть определены пороговые температуры коагуляции Гпор, и Тпор,, которые, так же как Спор, и Спор > являются характерными параметрами процесса коагуляции для данного типа латекса [45]. Если при введении электролита в латексные системы происходит резкое уменьшение сил электростатического отталкивания между частицами за счет снижения -потенциала частиц и подавления диссоциации адсорбированных молекул ПАВ (и изменения растворимости молекул ПАВ), то под влиянием теплового воздействия происходит ослабление водородных связей молекул воды и ПАВ адсорбционного слоя, что также способствует гидрофобизации системы и понижению ее устойчивости. В интервале времени тг — ть по-видимому, преодолевается энергетический барьер, препятствующий коагуляции системы и разделению фаз. При проведении коагуляции в условиях, при которых концентрация электролита Сэл Спорг и [c.258]
Структура и свойства связанного слоя определяются природой и свойствами каждого компонента в слое. Так, в случае разделения водных растворов полярных органических веществ структура связанного слоя, в отличие от структуры слоя, состоящего в основном из молекул воды, имеет дефектные участки. Это о бусловлено некомненсврован-ностью меж[молекулярных сил в участках раствора, где молекулы воды связаны с гидрофобными частями молекул растворенных веществ. Такая структура 1менее прочна, так, как водородные связи молекул оды, прилегающих к дефектным участкам, ослабляются из-за понижения донорной спо собности ОН-групп, поскольку неподеленная пара электронов этих молекул перестает служить одновременно акцептором протонов в водородной связи. [c.220]
Благодаря наличию в воде водородных связей и тетраэдрическому характеру структуры в расположении ее молекул отмечается высокая степень упорядоченности — они объединяются в рои (рис. 1.6). Внутренняя часть роев содержит молекулы воды, сохраняющие четыре водородные связп не нарущенными, т. е. объединенными в тетраэдрический льдоподобный каркас. При такой ажурной льдоподобной структуре в воде возникают многочисленные пустоты, обусловливающие большую ее рыхлость. [c.23]
Являясь неполярными, углеводородные жидкости слабо растворяются в воде. Возможность растворения в воде углеводородов, как и других неполярных веществ, определяется числом льдоподобных структур. Чем больше этих структур, тем больше полостей, куда могут внедриться неполярные молекулы, и тем больпзе величина их растворимости. Эти факторы редко учитывают, например, при бурении в интервалах многолетнемерзлых пород, когда при повышении температуры водородные связи молекул замерзшей воды разрываются, уменьшая число льдоподобных образований, и изменяют адгезионные характеристики углеводородных пленок. Больнюе значение при этом имеет соотношение размеров молекул углеводородных жидкостей и пустот в льдоподобных структурах, наличие в воде органических и неорганических веществ, стабилизирующих ее структуру и приводящих к возникновению в системе процессов высаливания и всаливания неполярных молекул. Эти явления, кажущиеся несущественными на первый взгляд, оказывают большое влияние на процессы, происходящие на различных поверхностях раздела в промывочных жидкостях. [c.28]
Водородная связь. В тех случаях, когда водород соединен с сильно электроотрицательным элементом, он может образовать водородную связь, которая является промежуточной между химической и меж-молекулярной. Эта связь обусловлена тем, что смещение электрона от атома водорода превращает его в частицу, не имеющую электронов, не отталкивающуюся электронами других частиц, т. е. испытывающую только притяжение. Водородная связь проявляется тем сильнее, чем больше электроотрицательность атома-партнера и чем меньше его размеры, поэтому она характерна для соединений фтора и кислорода, в меньшей степени — для азота и еще в меньшей степени — для хлора и серы. Соответственно меняется и энергия водородной связи. Благодаря водородным связям молекулы объединяются в димеры, полимеры и ассоциаты. Ассоциация приводит к повышению температуры плавления и температуры кипения, изменению растворяющей способности и т. д. Водородная связь образуется очень часто, и объясняется это тем, что молекулы воды встречаются повсеместно. Каждая из них, имея в своем составе два атома водорода и две необобществленные электронные пары, может образовать четыре водородные связи. [c.237]
Анионы А » связываются с молекулами воды водородной связью. Сильное воздействие анионов может привести к полному отрыву протона от молекулы НгО — водородная связь становится ковалентной. В результате образуется кислота или анион типа Н5 , НСОГ и т. п. Взаимодействие анионов К с протонами тем значительнее, чем больше заряд аниона и меньше его радиус. Таким образом, интенсивность взаимодействия вещества с водой определяется силой поляризующего влияния К» и А » на молекулы Н2О. 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 экрлнируюгся с/-электронами. [c.283]
Для цеолита NaX интенсивная размытая полоса довольно симметрична, что указывает на приблизительное постоянство энергии водородной связи молекул воды при средних заполнениях полостей. Это соответствует виду зависимости q от /г для цеолита NaX (см. рис. 2.14). В случае же адсорбции воды цеолитом KNaX эта полоса несимметрична и смещение частоты валентного колебания гидроксильных групп молекул воды, Av, характеризующее прочность водородной связи, изменяется с ростом заполнения. Оно велико при небольших л с дальнейшим ростом п уменьшается, потом снова возрастает, опять уменьшается, и, наконец, [c.43]
Мнения некоторых исследователей согласуются в том, что качественное поведение воды является поведением системы связанных посредством случайных водородных связей молекул воды, которая подвержена непрерывному реструктурированию (см. [12] [13], разд. ПВ, с. 3405 [14], с. 4185 [15], с. 419 и 426 [16] [17], с. 125). Это побудило авторов указанных работ и других исследователей использовать модели случайных графов для изучения свойств воды . Существование резких фазовых переходов, наблюдаемых в воде, и внезапное появление гигантских компонент в случайных графах при величинах критической вероятности делают такие модели особенно привлекательными. Первоначальные попытки использования этого подхода привели к установлению того факта, что случайные графы типа графов Эрдёша — Реньи не являлись полностью удовлетворительными для моделирования такой физической системы [c.501]
Помимо увеличения концентрации органических молекул в водной фазе добавление ониевых катионов существенно изменяет структуру воды и тем самым активность попавших в водную фазу органических молекул. Структура воды нарушается вследствие разрушения гидратной оболочки вокруг ионов «ОН (наименьшей гидратной структурной группировкой является группировка Н3О2, с которой прочными водородными связями связаны другие молекулы воды) при введении что приводит к появлению свободных (не связанных водородными связями) молекул воды. Это подтверждается исследованием ИК-спектров гидратированных полимерных пленок, содержащих группы ЫМег, +N> 63 1 , +НМеэ — ОН [19]. [c.20]
Для соединений, молекулы которых содержат атомные группировки Р—Н, О—Н, N—Н, структуру кристаллов в основном определяет водороднал связь, молекула воды, имеющая две полярные связи О—Н и две направленные [c.117]
Газы, способные сами образовывать водородные связи с молекулами воды при внедрении в квазиклатратную полость, образуют водородные связи с молекулами воды, обрамляющими полость, и квазиклат-ратная полость из-за этого разрушается. При этом общий результат внедрения газа будет неотличим от внедрения газа в квазикристаллическую полость. Теплота растворения газа, способного к образованию водородных связей, при низких температурах обычно меньше теплоты растворения неполярных газов. Это объясняется тем, что несмотря на образование водородных связей газ — вода, одновременно разрушаются эффективные водородные связи молекул воды друг с другом. Эго с качественной точки зрения объясняет то, что растворение в воде газов, образующих с ней водородные связи, сопровождается при низких температурах меньшим тепловым эффектом-, чем растворение неполярных газов. [c.162]
Взаимодействие между молекулами воды. Структура кои-деисироваииых фаз. Молекулы В., обладая значит, дипольным моментом, сильно взаимод. друг с другом и полярными молекулами др. в-в. При этом атомы водорода могут образовывать водородные связи с атомами О, N, F, I, S и др. В водяном паре при невысоких т-рах и умеренных давлениях присутствует небольшое кол-во (ок. 1% при т-ре кипения и атм. давлении) димеров В, (для них ДЯ бр 15 кДж/моль), расстояние между атомами кислорода 0,3 нм. В конденсиров. фазах каждая молекула В. образует четыре водородные связи две-как донор протонов и две-как акцептор протонов. Средняя длина этих связей в кристаллич. модификациях льда и кристаллогидратах ок. 0,28 нм. Угол О—Н…О стремится к 180°. Четыре водородные связи молекулы В. направлены приблизительно к вершинам правильного тетраэдра (рис. 2). [c.395]
Ученые впервые увидели квантовые процессы между молекулами воды
Георгий Голованов
Команда ученых из США и Швеции впервые непосредственно наблюдала, как атомы водорода в молекулах воды в возбужденном состоянии тянут и толкают своих соседей. Результаты их исследования помогут физикам раскрыть происхождение странных свойств воды и понять, как вода способствует функции белков в живых организмах.
У обычной воды есть много странных свойств, которые ученые пока не могут объяснить. Хотя большинство видов жидкости становятся при охлаждении плотнее, вода достигает наибольшей плотности при 4 градусах Цельсия. Поэтому лед сначала образуется на поверхности пруда. Также у нее необычайно высокое поверхностное напряжение, что позволяет насекомым ходить по ее поверхности, и большая теплоемкость.
Из школьного курса химии известно, что каждая молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода. Их удерживают вместе водородные связи между положительно заряженными атомами водорода в одной молекуле и отрицательно заряженными атомами кислорода в соседних. Эти запутанные отношения лежат в основе многих свойств воды, но до недавних пор ученые не могли наблюдать напрямую, как молекулы воды взаимодействуют друг с другом.
До сих пор наблюдения затруднял крошечный размер и высокая скорость движения водородных связей. Эксперимент, проведенный группой ученых из Национальной ускорительной лаборатории SLAC, Стэнфордского университета и Стокгольмского университета, смог обойти эту трудность, задействовав электронную камеру MEV-UED, способное распознавать мельчайшие движения молекул с помощью мощных пучков электронов.
Ученые создали струи жидкой воды толщиной 100 нм и заставили их вибрировать под инфракрасным лазерным лучом. Затем они направили на молекулы короткие импульсы высокоэнергетических электронов MEV-UED, пишет Stanford News.
Полученные моментальные снимки атомной структуры молекул они объединили в покадровое видео о том, как молекулы воды реагируют на свет. Из наблюдения за тремя молекулами видно, что когда они начинают вибрировать, атомы водорода подтягивают атомы кислорода из соседних молекул ближе к себе, а потом отталкивают с новообретенной силой, расширяя пространство между молекулами.
Ученые надеются использовать этот метод для исследования квантовой природы водородных связей и их роли в еще неизученных свойствах воды, играющих важную роль во многих химически и биологических процессах.
В 2019 году команда физиков из Австрии впервые наблюдала квантовую интерференцию цепочки из 15 аминокислот. Их исследование заложило основу изучения квантовых свойств биологических молекул, энзимов, ДНК и, возможно, даже простейших форм жизни, таких как вирусы.
Физики проследили за динамикой водородных связей в воде с помощью рентгена
Изменение радиального распределения значений функции Ван Хова молекул воды с течением времени
T. Iwashita et al./ Science Advances, 2017
Физики разработали новый метод исследования динамики молекулярной структуры жидкостей с течением времени, основанный на неупругом рентгеновском рассеянии. С помощью предложенного метода удалось проследить за динамикой структуры водородной связи и объяснить некоторые из фундаментальных свойств воды, в частности, ее вязкость, сообщают ученые в Science Advances.
Молекулы жидкостей, несмотря на то, что не образуют упорядоченной кристаллической структуры, располагаются довольно близко друг к друг и могут образовывать небольшие молекулярные кластеры. Например, в воде такие кластеры формируются за счет наличия водородных связей между атомами водорода и кислорода из соседних молекул. Для исследования состояния кластерной системы в жидкости обычно используют неупругое рассеяние нейтронов и рентгеновского излучения или спектроскопических методов, однако таким образом обычно удается лишь определить состояние системы в данный момент времени, но не получить никакой информации о динамических свойствах системы.
Коллектив физиков из США и Японии под руководством Такэси Эгами (Takeshi Egami) из Национальной лаборатории Ок-Ридж предложил использовать неупругое рентгеновское рассеяние для изучения динамики водородных связей между молекулами воды в реальном времени. По словам ученых, раньше удавалось только «фотографировать» молекулы воды, фиксируя их состояние в данный момент времени, а с помощью новой методики движение молекул воды можно фактически «снимать на видео».
По полученным данным неупругого рентгеновского рассеяния ученые с помощью двойного преобразования Фурье получали значение корреляционной динамической функции Ван Хова. Эта функция определяет вероятность обнаружить в данный момент времени на заданном расстоянии от данного атома другой атом. По распределению значений этой функции в пространстве с течением времени можно установить, как взаимное расположение молекул меняется с течением времени, и в случае с водой узнать как меняется структура водородных связей.
Радиальное распределение значений функции Ван Хова в разные моменты времени
T. Iwashita et al./ Science Advances, 2017
По полученным данным ученым удалось установить, что из-за водородных связей образуется короткоживущее устойчивое состояние с временем жизни чуть менее одной пикосекунды. После этого времени структура воды перестраивается с образованием новой системы связей. Именно время жизни каждого устойчивого состояния определяет макроскопические свойства воды, в первую очередь, ее вязкость.Результаты эксперимента ученые сравнили с данными компьютерного моделирования, полученными несколькими различными методами. Оказалось, что картина, полученная с помощью моделирования, качественно соответствует результатам эксперимента и дает такое же время жизни одного состояния. Тем не менее небольшие отличия в положении и величине пиков, соответствующих ближним двум атомам, а также поведение спектров на относительно больших временах (более 0,4 пикосекунды) все же наблюдались. Авторы работы предполагают, что эти отличия связаны с тем, что компьютерные модели не учитывают квантово-механическую природу водородных связей, которая тоже может влиять на их динамику.
По словам ученых, полученные результаты можно в дальнейшем использовать в качестве данных для расчетных методов и динамического моделирования.
Наличием у воды короткоживущих состояний с заданной структурой часто пытаются объяснить некоторые связанные с водой мифы, такие как память и зарядка воды. Иногда это делается оправдано, но, как правило, эти объяснения совершенно не обоснованы. Подробнее об этом вы можете прочитать в нашем материале.
Александр Дубов
Глава 4.2. Структура воды | BookOnLime
Молекула воды, построенная из двух атомов водорода и одного атома кислорода, как установлено исследованиями оптических спектров воды в гипотетическом состоянии полного отсутствия движения имеет структуру равнобедренного треугольника, вершину треугольника занимает кислород, а два атома водорода лежат в основании треугольника (рис. 30 а).
а) | б) |
Рис. 30. Геометрическая схема (а) и пространственная электронная структура (б) мономера Н2О
Угол треугольника равен 104,5°, расстояние между кислородом и водородом 0,96 Å. Для ближайшего гомолога воды Н2S угол составляет около 92° (табл. 4.2.1).
Таблица 4.2.1. Длины связей (Н-Э) и углы гомологов воды
Наименование параметра | Н–Э | |||
Молекула | Н2О | Н2S | Н2Se | Н2Те |
Длина связи, 10–8 см | 0,957 | 1,334 | 1,460 | 1,653 |
Угол молекулы, град | 104,52 | 92,16 | 90,53 | 90,25 |
В образовании каждой ковалентной связи О-Н участвуют по одному электрону от атомов кислорода и водорода. У кислорода остается одна неподеленная пара электронов, которая в изолированной молекуле воды остается свободной, но при сближении с другими молекулами воды играет важную роль в образовании молекулярной структуры воды, а именно в способности к образованию водородных связей. Водородные связи между молекулами воды возникают в результате специфического распределения в них электронной плотности.
Неподеленные электроны отталкиваются от связей О-Н, поэтому их орбиты сильно вытянуты в сторону, противоположную атомам водорода. Таким образом, в трехмерном пространстве молекулу воды можно изобразить в виде тетраэдра, в центре которого находится атом кислорода, а в двух вершинах – по атому водорода (рис. 29 б). Каждый из протонов может образовывать связь с неподеленным электроном другой молекулы. Первая молекула при этом выступает в качестве акцептора, а вторая донора, образуя водородную связь. Таким образом, молекула воды представляет собой двойной симметричный донор и акцептор, что позволяет ей образовывать водородные связи с соседними молекулами воды с точным балансом числа донорных и акцепторных связей. Электронная структура молекул воды определяет условия их объединения в сложную трехмерную сеть водородных связей, как в воде, так и во льду. Пока молекула воды свободна, электроны, которые не участвуют в образовании связи, располагаются ближе к ядру кислорода, чем связывающие и сильно отталкивают связывающие электроны, при этом угол НОН свободной молекулы около 1040, а при образовании водородных связей угол возрастает до 1090. Водородная связь имеет электростатическую природу. У гомологов воды атомы практически нейтральны, поэтому водородные связи между их молекулами не образуются. Только в системе молекул воды водородные связи полностью определяют геометрию кристаллов и свойства жидкой воды.
Водородные связи вокруг каждой молекулы воды реализуются в кристаллах льда. Схематически структура льда представлена на рис. 31.
Рис. 31. Гексагональная структура льда Ih
Это так называемый гексагональный лед, который образуется при давлении 1 атм. Получается сетка водородных связей, в узлах сетки находятся молекулы воды, в каждом ее узле сходится четыре связи. Все углы между связями в сетке равны тетраэдрическому углу 1090. Сетка состоит из изогнутых шестичленных колец, поэтому сетка называется гексагональной и вся структура льда обозначается как гексагональный лед (лед Ih). Характерной особенностью структуры льда является рыхлая упаковка в ней молекул. Если бы молекулы воды во льду были плотно упакованы, то его плотность составляла бы 2,0 г/см3, на самом деле она равна 0,92 г/см3. Но рыхлость упаковки не ведет к неустойчивости структуры. При сжатии льда сетка водородных связей не разрушается, а перестраивается, сохраняя свою четверную конфигурацию. Более выгодным оказывается не разорвать некоторые водородные связи, а сохранить их, лишь деформируя сетку, несколько изменяя углы между связями. При повышении давления гексагональный лед Ih меняет свою структуру. При деформации гексагональной сетки плотность увеличивается, а углы между соседними связями отличаются от тетраэдрических. Гексагональный лед обладает минимальной плотностью и наибольшей рыхлостью. По своим электрическим свойствам лед относят к протонным полупроводникам, так как носителями заряда во льду являются неупорядоченные протоны. В кристаллической решетке льда упорядочено расположение атомов кислорода, а по протонам – это неупорядоченная среда.
Гексагональная форма льда является не единственной. Полиморфных форм льда, образуемых при различных давлениях и температурах, насчитывают от 12 до 14. При плавлении льда тетраэдрическая сетка водородных связей не должна разрушаться, но кристаллический порядок нарушается.
Поскольку вода является сложной ассоциированной жидкостью с динамическим характером связей, то описание ее свойств на молекулярном уровне возможно лишь с помощью квантово-механических моделей различной сложности и строгости. Таких моделей достаточно много. В последние годы все больше появляется данных о существовании сетки водородных связей в воде в виде разнообразных структур кластерного типа. Под кластерами понимают кристаллоподобные структуры, которые могут содержать полости. Водные кластеры структурно могут быть подобны кластерам углерода и кремния (фуллерены, алмаз, графит, силикаты). Такое подобие определяется способностью атомов углерода и кремния образовывать по четыре ковалентные связи, а у атома кислорода воды также четыре связи (две ковалентные и 2 водородные). Следует заметить, что углерод – основа всего живого, кремний – основа неживой материи и вода, объединяющая эти два мира, способна образовывать связи тетраэдрической конфигурации.
Имеются квантово-химические расчеты, подтверждающие возможность существования устойчивых водных кластеров, которые, блокируясь друг с другом, могут достичь громадных размеров, включающих в себя 280 и более молекул воды, фактически это полимерные молекулы, построенные из тетраэдрической сетки.
В водных кластерах, как показали квантомеханические расчеты, может происходить миграция протонов по эстафетному механизму, приводящая к делокализации протонов в пределах кластера. Наличие делокализации протонов в пределах кластера способствует стабилизации последнего.
Свойство тетраэдрических сеток водородных связей воды образовывать различные структурные конфигурации проявляется в существовании соединений включения (клатратные гидраты). Это система «гость – хозяин». Простейшая модель – додекаэдр, образованный молекулами воды («хозяин»), в полость которого помещаются небольшие молекулы, например, метан («гость»).
Структура воды позволяет объяснить многочисленные аномальные свойства воды. Резкое увеличение плотности при плавлении льда связано с тем, что сетка водородных связей льда сильно искажается после плавления, углы между связями отклоняются от оптимальных, тетраэдрических, в результате чего уменьшается объем пустого пространства между молекулами воды. Уменьшение плотности при понижении температуры ниже 4 0С определяется перестройкой структуры водной сетки – чем ниже температура, тем ажурнее становится сетка, больше объем пустого пространства. При высоких температурах перестройка структуры сетки мало влияет на плотность, поскольку сетка в этом случае сильно отличается от ажурной, тетраэдрической. Тогда преобладает общее для всех веществ свойство – увеличение расстояния между частицами при нагревании. Аналогично объясняются и другие аномалии воды при низких температурах. Общая причина аномального поведения воды при низких температурах заключается в том, что при этом сетка водородных связей воды не очень искажена по сравнению тетраэдрической конфигурацией и при изменении температуры первостепенное значение имеет перестройка структуры этой сетки, которая и определяет аномальный вклад в поведение наблюдаемого свойства воды. При высоких температурах, когда водная сетка сильно деформирована, ее перестройка оказывает меньшее влияние и вода ведет себя, как все обычные жидкости.
Деформация сетки при изменении температуры требует затрат энергии, что и объясняет аномальный вклад в теплоемкость. Особые свойства сетки водородных связей определяют аномальное поведение не только чистой воды, но и многих ее растворов.
Межмолекулярные связи — All-ХИМИЯ
В предыдущей статье мы с Вами рассмотрели два основных закона, по которым образуются все химические связи: закон Кулона и Правило октетов. А также четыре основных типа химической связи: металлическую, ковалентную полярную и неполярную и ионную. Теперь пришло время поговорить о том, как сами молекулы взаимодействуют между собой.Водород – это по всем параметрам необычный элемент. Он самый
маленький по размеру и единственный, который содержит только один электрон. В
ряду электроотрицательности неметаллов водород находится позади большинства
неметаллов и, соответственно, является менее электроотрицательным, чем,
например, азот, кислород и фтор. Образуя химическую связь с этими элементами,
водород отдаёт в электронную пару свой единственный электрон, и он, вместе с
этой эл.парой оттягивается в сторону более электроотрицательного элемента, мы
уже говорили о том, что так образуется ковалентная полярная связь. Молекула
приобретает дипольный момент и становится полярной – отрицательным полюсом
становится элемент, а положительным – водород. Если второй элемент – один из
самых электроотрицательных: фтор, кислород или азот, — то связь становится
настолько полярной, что электронная плотность практически полностью
сконцентрирована на нём. Частичные заряды на полюсах молекулы увеличиваются, а,
как мы помним из Закона Кулона, вместе с увеличением зарядов увеличивается и
взаимодействие между заряженными частицами – в данном случае между диполями.
Это приводит к образованию водородной
связи между молекулами.
Предоставлять водород для образования
Н-связи, как следует из сказанного выше, могут только его соединения с самыми
электроотрицательными неметаллами, но «притягиваться» этот частично
положительный полюс может не только к своим же диполям, но и к любым другим.
Диполи все же имеют только частичные заряды, поэтому водородная связь –
довольно слабая, легко разрушается, но оказывает очень сильное влияние на
свойства веществ. Если бы между молекулами воды не возникало водородных связей,
то вода кипела бы при -100°С
и в обычных условиях была бы газообразной. Некоторые неполярные органические
молекулы, которые не должны растворяться в полярных растворителях, всё же
растворяются в воде благодаря водородным связям.
Помимо водородных связей, между молекулами и их фрагментами есть ещё более слабое взаимодействие, вызванное т.н. силами Ван-дер-ваальса. Они обусловлены непрерывными изменениями колебаний ядер и электронов, а соответственно, и их положений вокруг ядра. Такие силы возникают даже в неполярных веществах и отдельных атомах, где нет диполей. В любой неполярной молекуле хотя бы на мгновение за счёт колебаний ядер и электронов возникает крошечный дипольный момент, называемый ещё мгновенным, который в следующее мгновение запускает цепочку образования таких же мгновенных диполей в соседних молекулах. Также под действием внешнего электромагнитного поля, даже очень небольшого, электронная оболочка молекулы может деформироваться и немного поляризоваться – такие диполи называют индуцированными. Т.е. в любом, даже неполярном веществе, всегда есть непостоянные слабые диполи, а где есть заряженные частицы, там есть и электростатическое взаимодействие между ними. Именно сумма сил притяжения постоянных, мгновенных и индуцированных диполей и представляет собой Ван-дер-ваальсово взаимодействие. Именно наличием сил Ван-дер-ваальса можно объяснить существование жидкого (и твёрдого) агрегатного состояния в неполярных веществах и благородных газах, иначе не было бы никаких сил, заставляющих молекулы притягиваться друг к другу. Также благодаря силам Ван-дер-ваальса гекконы могут перемещаться по абсолютно гладким поверхностям, а также по стенам и по потолку. На их лапках имеются миллиарды мельчайших ворсинок, которые можно увидеть только под большим увеличением. Молекулы на каждой из этих ворсинок взаимодействуют с молекулами материала поверхности, и так, сама по себе очень маленькая сила становится достаточно большой, чтобы удержать исполинского, в масштабах молекул, геккона.
Таким образом, теперь мы рассмотрели все виды химической связи, с учётом взаимодействия между молекулами и атомами. Все межмолекулярные связи гораздо слабее химических связей как таковых – металлической, ковалентной или ионной – и разрушаются при переходе из одного агрегатного состояния в другое, но, как мы видим, эти слабые взаимодействия суммарно оказывают очень значительное влияние на свойства веществ и материалов.
химический процесс и польза для здоровья
Образование водородной связи воды наделяет жидкость особыми свойствами, которые находят применение не только строго в химической сфере, но и в быту – для оздоровления и омоложения организма. Получаемая водородная вода известна своими полезными свойствами и рекомендуется многими учеными для ежедневного употребления.
Для ее производства не нужно разбираться в химии, достаточно приобрести качественный прибор, способный превратить обычную воду в водородную. В нашей статье мы расскажем, как это происходит, какие свойства имеет водородная вода и как получить ее в домашних условиях.
Образование водородной связи воды
Как выяснили ученые, атомы с большой электроотрицательностью могут притягивать к себе частицы менее электроотрицательного соседа, придавая ему низкий положительный заряд (σ+). Если такой заряд получает водород, то он начинает взаимодействовать с другими атомами. Данные частицы должны иметь неподеленные электронные пары, посредством которых и происходит взаимодействие с водородом. При этом образуется связь по типу ковалентной.
Образование водородной связи воды
Образуется соединение атома водорода, который уже связан с электроотрицательной частицей, с другим электроотрицательным атомом.
Фантазийно подобную связку можно представить так: крупные электроотрицательные атомы — это родители, которые держат за руки ребенка-водорода. Обычно в роли взрослых выступает фтор, кислород, азот.
Ковалентная связь отличается от водородной силой притяжения. Водород значительно слабее притягивает атомы, но при этом соединение намного стабильнее, чем в слабых межмолекулярных взаимодействиях (например, силы Ван-дер-Ваальса). Водородная связь требует не много энергии, и при нормальных условиях она долгое время сохраняется. Способность подстраиваться объясняется наличием водородных соединений в клетках живых организмов. Молекулярные связи легко собираются и разбираются при помощи натуральных энзимов. Существует два типа подобных соединений
внутримолекулярные – возникают между атомами одной молекулы;
межмолекулярные – между атомами двух молекул.
Для лучшего понимания рассмотрим каждый тип связи.
В клетках существует связь двух последовательностей ДНК при помощи большого количества водорода. Это самый главный пример внутримолекулярной водородной связи в биомолекулах. Соединения между цепочками прерываются и восстанавливаются много раз на небольшом участке молекулы.
Водородные связи обычно образуются в спиртах. Отдельные соединения между молекулами создают для веществ высокие точки кипения и плавления. Частицы спиртов связаны друг с другом при помощи водорода и образуют крепкую структуру. Чем больше соединений внутри вещества, тем дольше придется нагревать его, чтобы довести до кипения.
Образование водородной связи воды
Подобные связи возникают и между неорганическими молекулами. К таким веществам относится жидкость. Образование водородной связи между молекулами воды требует более пристального внимания.
Для начала представьте молекулы воды. Они состоят из атома кислорода и двух неподеленных частиц водорода и имеют две неподеленные электронные пары – H2O. При этом весь водород может образовывать соединения с еще одной молекулой. Свойства воды меняются.
Подобные способы крепления молекул объясняют высокую температуру кипения. Пути к появлению стабильности в водородных связях такие же, как в спиртах. Молекулы жидкости выстраивают определенные структуры при температуре выше нуля по шкале Цельсия, но ниже температуры кипения. Появляются частные конгломерации, а не сплошные системы. Когда температура ниже нуля, получается лед. Водородные связи делают решетку, у которой ячейка больше, чем молекула воды. За счет этого плотность вещества снижается в твердом состоянии.
Крайние молекулы жидкости могут менять свое расположение около положительно или отрицательно заряженных ионов, поворачиваясь к ним соответствующей стороной. С водой хорошо смешиваются вещества с водородными соединениями, которые образуют связи с молекулами воды и с самими собой. Например, спирты, аммиак, другие жидкости хорошо растворяются в воде в больших количествах.
Польза употребления водородной воды
Было проведено сотни исследований и обнаружено, что образование водородной связи воды в жидкостях эффективно налаживает обмен веществ, благодаря чему из организма более активно выводятся вредные вещества. Происходит комплексное воздействие водородной воды на организм. Доказаны следующие полезные свойства вещества, влияющие на человеческие ткани и органы:
Избавление от активного кислорода, который остается после распада соединений с ним.
Регулирование процесса обмена веществ и задержание окисления клеточных оболочек.
Повышение выработки собственных антиоксидантов.
Это интересно!
«Свойства водородной воды и ее польза для человека» ПодробнееКорейские и японские ученые утверждают, что самая главная польза заключена в антивоспалительном эффекте. За счет нейтральности водорода для клеток тканей его воздействие не несет негативных последствий. И напротив, искусственно созданные медикаменты могут иметь побочные эффекты.
Водород контактирует с токсичными элементами, разрушая их до состояния воды, и выступает самым лучшим антиоксидантом.
Польза употребления водородной воды
Ежедневное питье напитка с молекулярным водородом помогает настроить некоторые процессы в организме, за счет чего происходит ряд положительных изменений:
Снижается воздействие окислителей и риск иммунных сбоев. Когда экологическая ситуация год от года становится хуже, страдает качество пищи, увеличиваются стрессовые моменты, употребление водородных напитков становится хорошей помощью в борьбе за здоровье.
Ускоряется энергетический обмен веществ, что способствует снижению веса и выведению вредных частиц из организма.
Останавливается накопление жиров в печени, начинаются процессы самоочищения.
Увеличивается способность тканей к сопротивляемости.
Снижается метеозависимость, пропадает аллергия.
Увеличивается сопротивляемость заболеваниям: артриту, ревматизму, атеросклерозу, сахарному диабету, онкопатологиям.
Снижаются побочные эффекты после химиотерапии и облучений.
Эффективно восстанавливаются силы после активных тренировок, что незаменимо для спортсменов. Водород не причислен к допингам. Некоторые исследования подтвердили, что применение водородной воды препятствует повреждению головного мозга после травмы, что актуально для людей, занимающихся контактными видами спорта.
Восстанавливается хорошее настроение и нейронные связи: молекулы водорода способствуют обновлению клеток головного мозга.
Меняется рН организма в щелочную сторону.
Осуществляется помощь в борьбе с кожными болезнями, заболеваниями сердечно-сосудистой, мочеполовой, пищеварительной систем, травмами глаз и потерей слуха.
Водородную воду не только пьют, но и применяют в косметических процедурах. Обогащенная молекулами Н2 жидкость помогает бороться с сухостью кожи, аллергическими проблемами и воспалениями. Очень часто продукт используют для возрастного лечения кожи: молекулы Н2 препятствует образованию морщин. Много салонов красоты применяют только водородную воду вместо обычной, это усиливает и продлевает результат от процедур.
Эффект от употребления водородной воды становится заметен не сразу, а через два-три месяца применения. Напиток полезен людям любого возраста и не имеет никаких противопоказаний.
Польза употребления водородной воды
Критерии выбора прибора для получения водородной воды
На что следует обратить внимание при выборе устройства для обогащения воды молекулами водорода.
Активаторы водородной воды отличаются по объему. Необходимо понять, для чего вам такой прибор. Если вы собираетесь пользоваться им индивидуально и вам удобно, чтобы он всегда был у вас под рукой, то рассмотрите модели приборов в виде водородных бутылок. Их объем примерно 0.5 л. За 4 -10 минут они насытят воду ионами водорода и сделают ее максимально полезной для вашего организма.
Если вам нужен активатор, чтобы напоить водородной водой большую семью, то вам больше подойдет стационарный ионизатор. Они бывают в виде кувшинов и за 8-13 минут активируют 2л воды.
Самая универсальная модель активатора, которая потребует от вас минимум внимания во время эксплуатации — это стационарные ионизаторы, которые активируют воду прямо в потоке. Такая система подключается к водопроводной системе вашего дома и все! 10 лет можно пить водородную воду в любом количестве.
Важно, чтобы все детали активатора водородной воды были выполнены из безопасных и высококачественных материалов.
Если используется пластик, то он должен быть пищевой с использованием технологии BPA free, что означает отсутствие опасного для здоровья бисфенола А.
В случае с активаторами, которые работают на основе электролиза, а значит активируют воду через контакт со встроенными металлическими пластинами, важно понимать из чего сделаны эти пластины.
Пластины у электролизёров могут быть сделаны из разных материалов: нержавеющей стали, меди и других, практически из чего угодно! Критический минус таких материалов в том, что они выделяют в воду свои ионы и атомы тяжелых металлов. Это очень опасно для здоровья.
Это интересно!
«Водородная бутылка для воды: виды и правила выбора» ПодробнееМаксимально безопасными являются пластины из титана, покрытого платиной − благородным инертным металлом, который не выделяет загрязнители в воду,.
Существуют разные приборы, в которых происходит образование водородной связи воды: некоторые готовят и живую, и мертвую жидкость, другие – только первый вариант. При покупке всегда уточняйте этот момент, если вы хотите использовать кислотную жидкость для хозяйственных и медицинских целей.
Существуют приборы, которые “умеют” активировать не только воду, но и любые другие жидкости: сок, чай, кофе, смузи и т.д.
Самоочистка доступна только в дорогих приборах. В остальных случаях ухаживать за активатором необходимо самостоятельно и регулярно. Если части активатора будут загрязнены, он не сможет производить вкусную и полезную воду.
Критерии выбора прибора для получения водородной воды
В минеральных активаторах каждые полгода необходимо производить замену картриджа с минеральными шариками, благодаря которым и меняются параметры воды. При выборе прибора разумным будет просчитать выгоду от использования такого прибора. Возможно, для вас будет более подходящим выбрать более дорогой прибор, но который не требует больше никаких финансовых вложений во время эксплуатации.
Выбрать здоровый образ жизни – это сфера вашей ответственности. Позаботьтесь о своем физическом и эмоциональном состоянии. Чтобы быть красивым и хорошо себя чувствовать, не нужно многого. Употребляя заряженную воду с отрицательным ОВП, вы значительно повышаете шансы своего организма на долгую и здоровую жизнь.
Лучшие модели компактных бутылок водородной воды
Vione Energy
Это ионизатор в виде бутылки из закаленного стекла. Все пластиковые элементы изготовлены с использованием технологии BPA free, т.е. отсутствует опасный для здоровья бисфенол А. Работает по технологии бездиафрагменного электролиза. Это 100% экологичный метод обогащения воды водородом.
Бутылка разработана в современном дизайне и имеет эргономичную форму. Ее удобно держать в руке, а небольшой размер позволяет носить прибор в боковом кармане рюкзака.
Водородная бутылка имеет долгий срок службы. Она прослужит вам минимум 7 лет, даже если вы будете включать ее по 7 раз в день. Прибор заряжается от сети или с помощью USB-провода.
Vione Hydrogen Mug
Данная модель предназначена для ионизации не только питьевой воды, но и любых других водосодержащих жидкостей. Водородная кружка Vione Mug − изобретение профессора А.П.Хачатряна. Она выполнена из авторского сплава металлов, основу которого составляет магний. Отличительной особенностью изделия является неограниченный срок службы. Необходимо грамотно ухаживать за кружкой и очищать от загрязнений специальным способом.
Vione Mineral Bottle
Это бутылка-ионизатор, выполненная из качественного и экологичного пластика- тритана. Представлена в 2 вариантах дизайна: Vione Mineral bottle и Vione Mineral bottle sport, а также 5 самых трендовых цветах.
Шарики, которыми наполнен внутренний контейнер в Vione mineral bottle, на 100% экологичны и состоят из натуральных минералов, спрессованных по специальной технологии. Они возвращают воде её полезные природные свойства за 5-10 минут. Менять контейнер с шариками необходимо каждые полгода.
Здоровый образ жизни значительно повышает ее качество и продолжительность. Привыкайте к полезным привычкам: правильному питанию, физической активности, поддержанию хорошего настроения и защите от стресса. Наше здоровье зависит и от того, какую воду мы пьем. Употребляйте вместо обычной воды напитки, обогащенные водородом, и со временем вы станете чувствовать себя намного лучше.
Вода – главный инструмент экстракции кофе — The Welder Catherine
вода – главный инструмент экстракции кофе
Когда мы готовим кофе, мы растворяем вкусовые вещества: вода подхватывает с поверхности молотого кофе вкусовые молекулы и уносит их за собой в чашку; этот процесс, как все мы знаем, и называется экстракцией. Неважно, каким методом мы готовим кофе – с помощью эспрессо-машины или через какую-нибудь воронку, – нашим главным инструментом всегда остается вода, пускай она попадает в разные условия и приобретает разные свойства. Сегодня мы постараемся разобраться, какие свойства воды дают ей растворять всякие штуки и каким образом разный состав воды будет влиять на вкус кофе, который мы с её помощью готовим. Для начала давайте разберемся, что у нас происходит на молекулярном уровне. Как все мы знаем, молекулы воды состоят из двух молекул водорода и одной молекулы кислорода.
Молекулы воды полярные: кислород сильнее притягивает общие электроны, чем водород, так что у молекулы появляются места, где электронов не хватает, и места, где их слишком много. Эти места могут ненадолго притягивать другие молекулы с похожими свойствами, почти как магниты притягивают другие магниты. Их (места с частичным зарядом) удобно представлять себе как маленькие крючки, которые могут зацепиться за другие крючки на других похожих молекулах.
Связи, которые молекулы воды устанавливают между собой и с другими молекулами, называются водородными связями. За счет их молекулы воды существуют в основном в виде жидкости – они активно цепляются друг за друга, так что нужно много энергии, чтобы эти связи порвались, и вода испарилась.
По той же причине вода хорошо растворяет другие вещества – её молекулам есть чем уцепиться за другие полярные молекулы. Если другая молекула неполярная и у неё нет «крючков», за которые можно уцепиться воде (например, молекула жира), то вода всё равно может удержать её в себе, хоть и до некоторого предела. Молекулы воды сцепляются между собой и образовывают вокруг такой молекулы «хороводы», не давая ей выпасть в осадок или всплыть на поверхность.
Когда с водой контактирует другое вещество, может произойти две вещи. Допустим, мы растворили молекулу сахара.
Она остается невредимой и сохраняет свои свойства (сахар и дальше будет сахаром), но за неё своими «крючками» зацепляются молекулы воды и утаскивают её всё дальше и дальше от твердого куска в раствор. Сахар растворится быстрее, если воду помешивать: так к куску сахара будут быстрее добираться ещё незанятые молекулы воды и прицепляться к другим молекулам сахара. То же происходит с большинством вкусовых частичек на поверхности молотого кофе. Чем выше температура воды, тем быстрее двигаются молекулы, а чем быстрее они двигаются, тем быстрее они отрываются от твердого куска – поэтому в горячей воде всё растворяется быстрее.
Второй вариант развития событий произойдет, если мы растворили в воде кристалл соли.
Это ионное соединение – атом хлора гораздо сильнее притягивает электроны, чем атом натрия, поэтому он полностью отбирает у него его электрон, и они оба становятся ионами (атомами с зарядом). На письме ионы можно вычислить по тому, что рядом с ними указан их заряд – например, Mg2+ значит, что у магния отобрали два электрона, и теперь у него есть два положительных заряда (протонов в ядре больше, чем электронов в оболочке). Если у атома наоборот больше электронов, чем протонов, то его заряд будет отрицательным (как у иона хлора Cl—). Молекулы соли держатся вместе не «крючками», а просто из-за того, что у них разные заряды. Когда такие молекулы растворяются, молекулы воды растаскивают их на составляющие атомы, и вещество перестает быть собой – столовая соль распадется на атомы натрия и хлора, из которых состоит.
Химический состав воды, которую мы используем для приготовления кофе, волнует нас сразу по нескольким причинам.
• Во-первых, вода – один из двух главных ингредиентов любого кофейного напитка. Поэтому она должна отвечать ряду параметров: прежде всего не иметь выраженного цвета или привкуса, потому что эти привкусы могут перейти в наш кофе (да и пить такую воду может быть небезопасно и неприятно). Привкус и/или цвет появляются из-за бактерий или растительности, хлора (Cl2), который используется в муниципальных системах очистки, фтора (F−) или железа из труб, пораженных коррозией. Если вода «вкусная», то кофе, приготовленный с использованием этой воды, не будет вкуснее или слаще.
• Во-вторых, вода – основной инструмент экстракции. В любой воде, кроме дистиллированной, всегда находится сколько-то твердых веществ, молекулы которых ведут себя не так, как молекулы воды. Минеральный состав воды влияет на то, как вода достает вкусы из кофе, а также на то, как вкус меняется уже в чашке. Если состав воды будет неоптимальным, мы получим или плоский и пыльный, или слишком резкий и кислый вкус.
• В-третьих, вода постоянно контактирует с нашим оборудованием (прежде всего с эспрессо-машиной), и твердые вещества из воды образуют накипь, а это может снизить эффективность работы машины и даже привести к поломке. Накипь ухудшает теплопроводимость и блокирует отверстия (трубы, рестрикторы и т.д.), вплоть до полной остановки оборудования. Как правило, чем больше минерализация воды, тем больше вероятность образования накипи, но здесь есть нюансы. Также нужно избегать коррозии, которая вызвана отклонениями кислотности.
три ключевых персонажа в воде
Среди всех минералов, которые могут находиться в воде, есть три ключевых для нас персонажа. Это кальций Ca2+, магний Mg2+ и гидрокарбонат-ионы HCO3—. Изначально они попадают в воду из каменных пород, которые растворяет дождевая вода. Чем больше в воде кальция и магния, тем хуже в ней мылится мыло и тем больше эта вода сушит кожу; поэтому её называют «жесткой», а сумму концентраций кальция и магния обычно называют общей жесткостью (general hardness или GH). Концентрацию гидрокарбонат-ионов часто называют щелочностью. Но из этого названия непонятно что это за штука, поэтому в кофейном мире чаще используют название «буферная емкость» (имея в виду способность гидрокарбонат-ионов нейтрализовать кислоты и быть буферами pH). В разных источниках та же самая вещь называться по-разному – «щелочность», «карбонатная жесткость», «KH», «буферная емкость» или просто «буфер», «концентрация гидрокарбонат-ионов» или «временная жесткость». На английском языке это всё звучит как alkalinity, carbonate/Karbonate hardness, buffer capacity, temporary hardness и bicarbonate content/concentration. Главное помнить, что это всё – одно и то же, концентрация гидрокарбонат-ионов.
общая жесткость
Общая жесткость прямо влияет на то, сколько всего мы достанем из кофе (то есть на степень экстракции). Кофе можно приготовить и на дистиллированной воде – мы уже разобрались, каким именно образом молекулы воды присоединяют к себе вкусовые соединения. Но вещества, которые содержатся в кофе, могут увеличивать или уменьшать степень экстракцию и кардинально менять вкус чашки, даже если остальные переменные остаются одинаковыми.
Влияние общей жесткости на экстракцию кофе изучали Кристофер Хэндон и Максвелл Колонна-Дэшвуд. Они экспериментально сравнили, как магний, кальций и натрий будут связываться с несколькими типичными для кофе молекулами вкуса – фруктовыми кислотами, кофеином и так далее. В результате эксперимента выяснилось несколько вещей.
• По сравнению с кальцием и магнием, натрий еле-еле присоединяется ко вкусовым молекулам кофе, так что его можно в принципе не учитывать.
• Наоборот, магний будет интенсивно доставать из кофе все вкусовые молекулы – причем скорее вкусные, чем невкусные (например, хлорогеновую и хинную кислоты). Но суммарно он достанет из кофе больше, чем кальций, так что кислотность придется чем-то балансировать (например, буфером).
• Кальций менее эффективен в плане экстракции, чем магний, но более эффективен, чем натрий, а калий вообще не принимает в ней участия.
• Также кальций – это одна из двух составляющих накипи. Поэтому Хэндон и Колонна в целом рекомендуют по возможности замещать кальций в вашей воде магнием, но из-за этого вода не станет идеальной – она просто даст высокую степень экстракции (не факт, что это будет вкусно и сбалансированно) и меньше накипи.
Очень сложно сказать, что произойдет, если мы добавим столько-то магния и столько-то кальция. Вкус чашки точно поменяется – сместится баланс, поменяется интенсивность элементов вкуса; но многое зависит и от вкусового профиля самого кофе, и от разницы способов приготовления, и от профиля обжарки.
Общий заряд воды всегда должен оставаться нейтральным – количество положительно и отрицательно заряженных ионов должно оставаться одинаковым. Например, Ca2+ с двойным положительным зарядом должен соответствовать двойной отрицательный заряд – это могут быть два гидрокарбонат-иона HCO3— или один сульфат-ион SO42-.
Общая жесткость и буферная емкость необязательно равны: положительные заряды кальция и магния могут уравниваться отрицательными зарядами хлоридов или сульфатов (которые не являются буферами), а отрицательный заряд гидрокарбонат-ионов – положительными зарядами натрия или калия (которые не входят в жесткость). Обычно буферная емкость меньше общей жесткости, но в некоторых природных водах (Evian, Боржоми) и в воде, очищенной с помощью системы ионного обмена (и богатой натрием и калием), гидрокарбонат-ионов может быть больше, чем жесткости.
Накипь (карбонат кальция, CaCO3) – это результат реакции кальция (Ca2+) и карбонат-ионов (CO32-, получаются из гидрокарбонат-ионов). Чем больше в воде кальция и гидрокарбоната, тем больше накипи из неё может выпасть. Если жесткости больше, чем буфера, то какое-то её количество после реакции останется в воде; эта жесткость будет называться постоянной жесткостью, а та жесткость, что образовала накипь – временной жесткостью (потому что она «ушла» из воды). Если буфера больше, чем жесткости, то в воде останется какое-то количество гидрокарбонат-ионов. Получается, что возможное количество выпавшей накипи ограничивается тем, чего меньше – жесткости или буфера.
«жесткая» / «мягкая» вода
Лучше не использовать понятия «жесткая» или «мягкая» вода. По идее, в жесткой воде много минералов, а в мягкой – мало. Но когда мы говорим о жесткой воде, то чаще всего мы имеем в виду воду, которая образовывает накипь – а этого не случится, если в воде не будет гидрокарбонат-ионов (а такое бывает, хотя и редко). Общая жесткость у такой воды будет высокой, но накипи из неё не выпадет.
Другой пример: если в воде будет много калия и натрия, но совсем не будет кальция и магния, то в ней будет целая куча растворенных веществ (и ваш TDS-метр покажет большую цифру), но при этом ни общей жесткости, ни буфера. С точки зрения кофе такая вода будет почти такой же «мягкой», как и дистиллированная, хотя TDS у неё и будет высоким. Поэтому лучше описывать состав воды более конкретно и приводить четкие цифры общей жесткости и буферной емкости.
индекс Ланжелье
Вода может как оставлять накипь, так и растворять её (а также другие металлы – например, нержавейку в нашей эспрессо-машине). Как она себя поведет – зависит от её pH, общей минерализации, концентрации кальция и гидрокарбоната, а также температуры. Из этих переменных можно рассчитать так называемый индекс насыщения Ланжелье и узнать, что будет делать ваша вода, когда попадет в бойлер эспрессо-машины. Если индекс равен нулю, вода не будет ни оставлять, ни растворять накипь; если он больше нуля, накипь будет образовываться, если меньше – растворяться. Лучше всего, чтобы индекс был равен +0.2 – +0.7; так накипь будет выпадать, но её будет не слишком много, и опасность коррозии будет минимальной.
Если индекс Ланжелье положительный, накипь будет выпадать, пока концентрации кальция и буфера не упадут так, что индекс станет равен нулю. Так что с точки зрения накипи неважно, выключаете ли вы машину на ночь или нет – важно только количество воды, которое сквозь неё проходит, и её характеристики. Зная количество воды, которое расходуется на один напиток, можно рассчитать примерное количество накипи в месяц, которое выпадет в осадок в эспрессо-машине.
что же такое буфер?
Гидрокарбонат-ион HCO3— довольно хитро ведёт себя в воде: он может как воровать у других молекул протоны водорода H+, так и отдавать эти протоны кому-то ещё. Поэтому в воде он существует вместе с двумя своими формами: угольной кислотой h3CO3 и карбонат-ионом CO32-.
За счет этого гидрокарбонат-ионы могут нейтрализовать кислоты и основания, таким образом поддерживая pH воды на одном уровне.
Для нас здесь важнее всего то, что если в воду с буфером попадает кислота, буфер отбирает у неё протон водорода. Так кислота перестает быть кислотой и теряет свой вкус – она становится конъюгатным основанием («злым близнецом» кислоты). Кофе без кислотности — плоский и неинтересный, а конъюгатные основания горькие на вкус. Однако полное отсутствие буфера в воде может сделать кислотность кофе слишком интенсивной, прямой и неприятной. Можете приготовить кофе на дистиллированной воде (необязательно получится невкусно, но кислотность скорее всего выйдет из баланса), а потом добавить в эту чашку пищевой соды на кончике ложки – картина резко поменяется, потому что пищевая сода (гидрокарбонат натрия, NaHCO3) распадется на катионы натрия и гидрокарбонат-ионы (вот вам и буфер).
В интернете можно встретить «народную мудрость» о том, что содержание магния влияет на интенсивность сладости, кальция – на тело, а гидрокарбонат-ионов – на кислотность. В ней есть доля правды: при низкой экстракции (если у воды низкая общая жесткость) сложно добиться высокой сладости, но степень экстракции можно повысить, (в том числе) добавив в воду магний. Кальций, встретившись с карбонат-ионами, скорее всего формирует накипь и в чашке, и прямо у нас во рту, а нерастворимая в воде накипь добавляет веса кофе. И конечно же, как мы увидели выше, буфер прямо влияет на интенсивность воспринимаемой кислотности.
Ещё один связанный с буфером момент, который стоит прояснить – вопрос точки предельного насыщения воды. Если готовить кофе на воде с очень высоким уровнем минерализации (так что TDS-метр покажет больше 200 или 300), то очень вероятно, что мы получим чашку с очень плоским, пустым и пыльным вкусом. Согласно ещё одной городской легенде, это происходит из-за того, что вода уже «переполнена» и кофейные вкусо-ароматические молекулы в неё уже «не помещаются». Но в воду может влезть очень и очень много – она очень далека от точки предельного насыщения, когда мы готовим кофе.
Что же происходит? На самом деле виноват, конечно же, буфер. Гидрокарбонат-ион – самый распространенный отрицательно заряженный ион в природных водах, так что чем больше в воде веществ, тем больше вероятность того, что в ней много буфера. Он нейтрализует кислоты – они остаются в чашке, но воспринимаются они теперь совсем иначе, как плоские, пыльные и землистые соединения.
как же узнать, что находится в нашей воде?
Лучше всего это сделать с помощью так называемого титрования. Цветной раствор определенного вещества по капелькам добавляют в воду. Это вещество реагирует с тем веществом, которое мы хотим измерить; когда второе вещество заканчивается, вода приобретает изначальный цвет раствора. Нам понадобятся два набора для титрования: тест GH (general hardness, общей жесткости) и тест KH (от немецкого Karbonathärte, карбонатной жесткости). Пользоваться ими очень просто: нужно набрать определенное количество воды, состав которой вы хотите узнать, в тестовый флакон и добавлять туда по капле тестового раствора, считая капли и встряхивая флакон после каждой, пока раствор не поменяет цвет. От размера сэмпла зависит точность измерения: если воды будет в два раза больше, измерение будет в два раза точнее, и так далее. Их главный плюс – возможность отдельно измерить общую жесткость и буферную емкость.
У титрования есть свои недостатки, но оно гораздо эффективнее, чем измерение проводимости воды – хоть это и популярный метод оценивания минерального состава воды среди бариста. Проводимость – способность воды проводить электрический ток, – прямо зависит от количества ионов, растворенных в воде. Дистиллированная вода – очень плохой проводник; чем больше в воде растворено ионов, тем больше появляется потенциальных путей для передачи электронов. Кондуктометр (более известный как TDS-метр, хоть это и не совсем правильное название) измеряет именно проводимость. Недостатков у кондуктометров сразу несколько:
• разные ионы по-разному проводят электрический ток – а кондуктометры не различают между разными ионами, так что и кальций, и магний, и натрий, и гидрокарбонат-ионы (при всех их супер-важных для нас различиях) сведутся к одной и той же абстрактной цифре;
• кондуктометры калибруют на растворах с «типичным» ионным составом, хотя состав воды даже в разных районах одного города будет очень сильно отличаться. А вода с другим составом будет проводить ток уже иначе;
• проводимость воды будет серьезно повышаться с ростом температуры.
TDS как единица почти полностью бесполезна для кофейной индустрии – равняться исключительно на неё ошибочно. Представим воду с высокой жесткостью, но практически без буфера: её TDS может сильно превышать стандарт, но если мы попробуем «упасть» до стандарта, обращая внимание только на TDS, и смягчить эту воду, то буфер совсем исчезнет. Результат – резкая кислотность, несбалансированная чашка.
Или наоборот: TDS может быть вполне в рамках стандарта, но буфера может быть куда больше, чем нужно; результат – плоский, пыльный, горький вкус.
До какой-то степени кондуктометры можно использовать для отслеживания прыжков состава воды: допустим, обычно ваш кондуктометр, опущенный в вашу рабочую воду, показывает 100 ppm; что-то явно пошло не так, если он вдруг стал показывать 400 ppm. Но мы не сможем сказать, что именно пошло не так, и не сможем делать каких-то выводов о конкретном составе этой воды ни до, ни после скачка.
какая же вода будет больше всего подходить для кофе?
Нам нужно остановиться на двух главных переменных: общей жесткости (сумме концентраций кальция и магния) и буферной емкости (концентрации гидрокарбонат-ионов). Рассмотрим четыре варианта соотношения их концентраций:
1) Очень много жесткости, очень мало буфера – высокая степень экстракции, нехватка буфера, резкая несбалансированная кислотность;
2) Очень мало жесткости, очень много буфера – низкая степень экстракции, нехватка тела, нехватка сложных вкусов, плоский, резкий и «обжарочный» вкус;
3) Очень мало жесткости, очень мало буфера – за степень экстракции отвечают только вода и температура; пустая чашка, некачественная кислотность, нехватка тела.
4) Очень много жесткости, очень много буфера – Начиная с 90 мг/л буфера, растет риск образования накипи; с точки зрения вкуса с таким количеством буфера можно справиться, но только с помощью высокой общей жесткости (которая увеличит степень экстракции).
Необходимо также рассмотреть вопрос связи химического состава воды и профилей обжарки. Мы уже поняли, что вкус кофе меняется в зависимости от воды, с помощью которой его готовят – но есть и обратная связь, потому что обжарщики пробуют свой кофе и корректируют его профили используя воду некоторого химического состава. По сути обжарщик всегда старается сделать так, чтобы его кофе был как можно вкуснее на той воде, на которой он его пробует сам – а значит, кофе всегда обжаривается под некоторый химический состав воды. На нашем производстве мы используем систему водоподготвки EVERPURE MRS 600 с возможностью делать как воду с низкой минерализацией для фильтра, так и с минерализацией 100-150 ppm для эспрессо.
Связь воды и профиля обжарки невероятно важна: не бывает идеального состава воды, который подходил бы под любой кофе. Вода с высокой буферной емкостью всегда будет давать плоский и пыльный кофе со сверхнизкой кислотностью, как бы обжарщик не подгонял под неё свой профиль – ему скорее всего придется сильно недоразвивать кофе, чтобы получить в чашке хоть какую-нибудь кислотность, а это даст очень низкое тело и практически полное отсутствие сладости. Вода с очень низкой минерализацией (например, из системы обратного осмоса без реминерализации) всегда будет давать низкую степень экстракции – с точки зрения обжарки это придется компенсировать увеличением растворимости кофе, то есть большей степенью развития.
При этом помните, что вода – это далеко не всегда корень всех проблем. На неё очень часто вешают вину за невкусный кофе, хотя проблема может заключаться совсем в другом. Но для того, чтобы диагностировать корень проблемы, нужно знать, как проверить состав своей воды, чтобы или подтвердить свои предположения, или исключить её из списка подозреваемых, чтобы начать искать проблему в другом месте.
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 вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
- Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
- Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
- Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
- Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.
Почему этому сайту требуются файлы cookie?
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.
Что сохраняется в файле cookie?
Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.
Как правило, в 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.
3.3: Химическая связь — Биология LibreTexts
Не все химические связи образуются так же, как связи в воде. На самом деле существует четыре различных типа химических связей, которые мы обсудим здесь: неполярные ковалентные, полярные ковалентные, водородные и ионные. Каждый тип облигации описан ниже.
Неполярные ковалентные связи
Для метана (CH 4 ) на рисунке \ (\ PageIndex {3} \) атом углерода (с четырьмя электронами на внешней валентной энергетической оболочке) имеет по одному электрону от каждого из четырех атомов водорода.Водород имеет один валентный электрон в своей первой энергетической оболочке. Ковалентное связывание преобладает в органических соединениях. Фактически, ваше тело скреплено электронами, которые разделяют атомы углерода и водорода! Электроны распределяются поровну во всех направлениях; поэтому этот тип ковалентной связи называется неполярной.
Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Метан образуется при ковалентной связи четырех атомов водорода и одного углерода.Полярные ковалентные связи и водородные связи
Ковалентная связь — это сила притяжения, которая удерживает вместе два атома неметалла, которые разделяют пару электронов.Один электрон обеспечивается каждым атомом, и пара электронов притягивается к положительным ядрам обоих атомов. Молекула воды, представленная на рисунке \ (\ PageIndex {4} \), содержит полярные ковалентные связи.
Сила притяжения между молекулами воды — это дипольное взаимодействие. Атомы водорода связаны с сильно электроотрицательным атомом кислорода (который также имеет два набора неподеленных пар электронов, что создает очень полярную связь. Затем частично положительный атом водорода одной молекулы притягивается к частично отрицательному атому кислорода соседней воды. молекула, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {4} \)).
Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Водородная связь в воде возникает между атомом водорода одной молекулы воды и неподеленной парой электронов на атоме кислорода соседней молекулы водыВодородная связь является межмолекулярной и внутримолекулярная сила притяжения, при которой атом водорода, ковалентно связанный с сильно отрицательным электроотрицательным атомом , притягивается к неподеленной паре электронов на атоме или частично отрицательному атому в соседней полярной молекуле. Водородные связи также обнаруживаются внутримолекулярно в третичных и четвертичных структурах белков и цепей ДНК.
Водородная связь возникает только в молекулах, где водород ковалентно связан с одним из трех элементов: фтором, кислородом или азотом. Эти три элемента настолько электроотрицательны, что отбирают большую часть электронной плотности в ковалентной связи с водородом, оставляя атом H очень электронодефицитным. Атом H действует почти как голый протон, в результате чего его очень привлекают электроны неподеленной пары на соседнем атоме.
Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Множественные водородные связи возникают одновременно в воде из-за ее изогнутой формы и наличия двух атомов водорода в молекуле.Водородная связь, возникающая в воде, приводит к некоторым необычным, но очень важным свойствам. Большинство молекулярных соединений, имеющих массу, аналогичную массе воды, являются газами при комнатной температуре. Благодаря сильным водородным связям молекулы воды могут оставаться в жидком состоянии в конденсированном состоянии. На рисунке \ (\ PageIndex {5} \) показано, как изогнутая форма и два атома водорода на молекулу позволяют каждой молекуле воды образовывать водородную связь с двумя другими молекулами.
В жидком состоянии водородные связи воды могут разрываться и преобразовываться, когда молекулы перетекают из одного места в другое.Когда вода охлаждается, молекулы начинают замедляться. В конце концов, когда вода превращается в лед, водородные связи образуют очень специфическую сеть, показанную в правой части рисунка \ (\ PageIndex {6} \). Когда вода жидкая, молекулы более подвижны и не образуют эту жесткую структуру.
Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Когда вода замерзает до состояния льда, сеть водородных связей становится более стабильной. Каждый атом кислорода имеет приблизительно тетраэдрическую геометрию — две ковалентные связи и две водородные связи.Ионные связи
Электроны переносятся между атомами. Ион отдает один или несколько электронов другому иону. Поваренная соль, хлорид натрия (NaCl), является распространенным примером ионного соединения. Обратите внимание, что натрий находится в левой части таблицы Менделеева, а хлор — в правой части таблицы Менделеева. На рисунке \ (\ PageIndex {7} \) атом лития отдает электрон атому фтора с образованием ионного соединения. Это происходит до полного заполнения их внешней валентной оболочки.Перенос электрона дает ион лития чистый заряд +1, а иону фтора чистый заряд -1. Эти ионы связываются, потому что они испытывают силу притяжения из-за разницы в знаках их зарядов.
Рисунок \ (\ PageIndex {7} \): Натрий (слева) и фтор (справа) образуют ионное соединение, называемое фторидом натрия. Анимация показывает, как натрий (Na) теряет электрон. Этот электрон забирается фтором (F). Это делает Na положительно заряженным, а F — отрицательно заряженным. Затем эти ионы притягиваются друг к другу.Водородная связь
Водородная связь Водородная связьВодородная связь — это особый тип диполь-дипольного притяжения между молекулы, а не ковалентная связь с атомом водорода. Это результат сила притяжения между атомом водорода, ковалентно связанным с очень электроотрицательный атом, такой как атом N, O или F, и еще один очень электроотрицательный атом. Прочность водородной связи колеблется от 4 кДж до 50 кДж на моль водородных связей.
- В молекулах, содержащих связи N-H, O-H или F-H, большая разница в электроотрицательность между атомом H и атомом N, O или F приводит к высокополярная ковалентная связь (т. е. дипольная связь). Электроотрицательность перечислены ниже.
| элемент | значение электроотрицательности |
| H | 2,1 |
| N | 3.0 |
| O | 3,5 |
| F | 4,1 |
- Из-за разницы в электроотрицательности атом H имеет большую частичный положительный заряд, а атом N, O или F несет большой частичный отрицательный заряд. плата.
- Атом H в одной молекуле электростатически притягивается к N, O или Атом F в другой молекуле.
| = O = N = H | ||
| Водородная связь между двумя молекулами воды (H 2 O).Обратите внимание, что атом O в одной молекуле притягивается к атому H во второй молекуле. | Водородная связь между молекулой воды и молекулой аммиака (NH 3 ). Обратите внимание, что атом N в молекуле NH 3 притягивается к атому H в молекуле H 2 O. |
Физические последствия водородной связи
- При температуре 25 o ° C фторид нитрозила (ONF) представляет собой газ, тогда как вода представляет собой жидкость.Почему?
- ОНФ и вода имеют примерно одинаковую форму.
- ONF имеет более высокую молекулярную массу (49 а.е.м.), чем вода (18 а.е.м.).
- Заключение: лондонские рассеивающие силы не несут ответственности для разницы между этими двумя соединениями.
- ОНФ и вода имеют одинаковый дипольный момент.
- Вывод: диполь-дипольные силы не ответственны для разницы между этими двумя соединениями.
- ONF не может образовывать водородные связи; вода может образовывать водородные связи.
Waterchemistry advanced FAQ
Как молекулы воды связываются друг с другом? Атомы водорода притягиваются к другим атомам, таким как атомы кислорода, потому что электроны притягиваются ближе к атому кислорода из-за его большего притяжения для электронов. В результате атом кислорода имеет слегка отрицательный частичный заряд, а атомы водорода имеют слегка положительный частичный заряд.Затем слегка положительно заряженные атомы водорода притягиваются к слегка отрицательно заряженным атомам кислорода других молекул воды. Эти силы притяжения называются водородными связями. Силы, удерживающие две молекулы вместе водородной связью, намного сильнее, чем силы между молекулами и углеводородами. Притяжение между атомами водорода и кислорода приводит к гораздо более высокой температуре кипения воды, чем ожидалось для другой молекулы с той же массой.
Водородные связи могут также образовываться между атомами водорода и серы или азота, обычно группы SH- и Nh3-.
На этом рисунке вы можете увидеть, как выглядят водородные связи в воде:
Водородные связи
Чтобы вода испарилась, необходимо добавить энергию. Молекулы воды в воде индивидуально поглощают эту энергию. Из-за этого поглощения энергии водородные связи, соединяющие молекулы воды друг с другом, разорвутся. Теперь молекулы находятся в газообразном состоянии; это называется водяным паром. Фазовый переход от жидкости к пару называется испарением.При испарении молекула воды поглощает скрытое тепло.
Каковы термические свойства воды?Термические свойства жидкости — это свойства, которые имеют прямое отношение к передаче тепла через эту жидкость. Термические свойства можно разделить на удельную теплоемкость и скрытую теплоту.
Удельная теплоемкость — это количество тепла на единицу массы, которое требуется для повышения температуры жидкости на один градус Цельсия. Связь между теплотой и изменением температуры обычно выражается следующей зависимостью, где c — удельная теплоемкость.
Q = c * m * dT
Q = добавленное тепло
c = удельная теплоемкость
m = масса
dT = изменение температуры
Удельная теплоемкость жидкости выражается в килоджоулях на килограмм на градус Цельсия. Удельная теплоемкость воды составляет 4,18 кДж / кг * o C при 0 o C.
Скрытая теплота означает энергию, которая поглощается молекулами воды для испарения. Это тепло, которое скрыто в молекуле воды и используется при нагревании воды. Когда вода остывает, энергия снова скрывается внутри молекулы.
Скрытое тепло выражается в килоджоулях на килограмм (кДж / кг). Скрытая теплота воды составляет
2250 кДж / кг при нормальном давлении и температуре 100 o C.
Закон Генри определяет растворимость газов в воде. Этот закон связывает парциальное давление газа с его мольной долей в жидкой фазе и, таким образом, определяет, какая часть газа растворена. Согласно расчетам закона Генри, кислород более растворим в воде, чем азот.
Закон Генри описывает следующее:
P = H * x
В котором p — парциальное давление газа, H — константа, которая различается для каждого газа, а x — мольная доля газа в жидкой фазе.
Некоторые газы при растворении действуют особым образом. Двуокись углерода, серная кислота и различные летучие вещества, такие как хлороводород, растворяются, а затем объединяются. Их коэффициент растворимости намного выше, чем у других газов.
Молекулы воды полярны.Вот почему растворимость жидкости определяется ее полярностью. Вещества Polair часто содержат группы OH — , SH — и NH 2 — . Чем больше этих групп содержит жидкость, тем она более водорастворима. Это связано с тем, что рассматриваемые группы могут образовывать водородные связи с водой, которые являются очень прочными. Поскольку эти связи очень прочные, молекула, которая содержит больше групп OH — , SH — и NH 2 — , более растворима в воде.
Что такое окисление и восстановление?Вода может принимать участие в реакциях окисления и восстановления. Вода может быть донором электронов; это называется восстановителем. Тип реакции, при которой соединение захватывает электроны, называется реакцией окисления. Акцептор электронов называется окислителем. Обычно во время таких реакций образуется кислород. Вода также может действовать как акцептор электронов, окислитель. Тип реакции, при которой соединение принимает электроны, называется реакцией восстановления.
Пример окислительно-восстановительной реакции меди (Cu) и цинка (Zn):
Cu 2+ (водн.) + Zn (s) -> Zn 2+ (водн.) + Cu (s)
Если разделить эту реакцию на две части, мы можем увидеть окисление и восстановление электронов (e — ) по отдельности:
Zn (s) -> Zn 2+ + 2e — (окисление)
Cu 2+ (водн.) + 2e — -> Cu (s) (восстановление)
В этой реакции цинк является донором электронов; цинк — восстановитель.Медь — окислитель, потому что медь — акцептор электронов.
Для получения информации о терминологии, связанной с водой, ознакомьтесь с нашим Глоссарием по воде или вернитесь к обзору часто задаваемых вопросов по воде
Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас есть другие вопросы
Ученые Стэнфордского и Стокгольмского университетов показывают, что вода молекулы сцепляются вместе более свободно, чем раньше мысль
Ученые Стэнфордского и Стокгольмского университетов показывают, что молекулы воды сцепляются друг с другом слабее, чем ранее думали
ДАВИДА КАСТЕЛВЕЧИ
Античный физик назвал его одним из фундаментальных элементы; его химическая формула известна третьеклассникам; и всем известный формы жизни нуждаются в этом, чтобы существовать.Но что такое вода на самом деле? хотя бы в жидкой форме — все еще остается загадкой. Команда ученых из Стэнфордского института синхротронного излучения Лаборатория (SSRL) и Стокгольмский университет теперь достигли прорыв в понимании структуры жидкой воды. Они обнаружили, что молекулы воды слипаются гораздо слабее, чем раньше. подумал.
На этой схеме молекула воды во льду.
форма (слева) окружена четырьмя другими молекулами воды. Новый
находка о жидкой воде показывает, что молекулы связаны
только с двумя другими.Это означает, что большинство молекул расположены
в кольцах с сильной водородной связью (в центре) или цепях
(Правильно).
Результаты появились 1 апреля в журнале Science . сайт предварительной публикации. «Результаты опровергают 20 лет исследования в области физической химии воды «, — говорит руководитель группы. Андерс Нильссон, физик-химик из Stanford Linear Акселераторный центр (SLAC). «Это будет большим потрясением в все поле »
SSRL является подразделением SLAC, U.S. Министерство энергетики (DOE), управляемый Стэнфордским университетом. Проект был сотрудничество между исследователями SSRL Стокгольмского университета, Линчёпингский университет (Швеция) и Утрехтский университет (Голландия).
Как следует из формулы h3O, каждая молекула воды состоит из двух атомы водорода и один кислород. Во льду молекулы воды расположены в кристаллической структуре, причем каждая молекула обычно связаны с четырьмя другими посредством того, что химики называют водородными связями. В водородная связь, электростатические силы склеивают водород атом из одной молекулы с атомом кислорода из другой молекула.Кислород может образовывать две водородные связи, поэтому молекула может связь с четырьмя другими — с двумя связями через кислород и по одному через каждый из его атомов водорода.
Хотя они в 10 раз слабее ковалентных связей внутри самой молекулы, водородные связи между молекулами по-прежнему занимают много энергии для разрушения — вот почему лед тает так медленно. Даже в жидкой воде молекулы проводят большую часть времени в сгустках вместе водородными связями, но не в статике, как в лед.«Водородные связи в жидкой воде образуются и очень быстро разрушаются на порядок каждой пикосекунды (одна триллионная секунды) «, — говорит Физик SLAC Уве Бергманн, соавтор исследовательской статьи. В эфемерные узоры, образованные связью в жидкости, еще далеки быть понятыми, но считаются ответственными за особые свойства воды, в том числе ее относительно высокая температура кипения точка, его высокая вязкость и, что не менее важно, его способность для поддержания химических реакций внутри живой клетки.
За последние 20 лет исследователи пришли к единому мнению. что в любой момент времени молекула воды обычно образует три или четыре водородные связи — в среднем 3,5. «Что мы находим», — Бергманн. говорит: «В том, что водородных связей не 3,5, а всего 2». Каждый Согласно исследованиям, молекула может образовывать до четырех связей, но два были бы разных, гораздо более свободных видов.
Авторы указывают, что предыдущая оценка 3,5 была основана на на теоретических предположениях, которые стали общепринятыми, потому что, при применении в компьютерном моделировании они дали согласованные результаты с известными свойствами воды, такими как необычно высокое количество энергии, необходимой для его нагрева.»Никому нечего было возражать против преобладающей модели, поэтому это стало правдой », — сказал Нильссон. говорит.
Но трудность «увидеть» настоящие молекулы в действии означало нехватку реальных данных. «Нового действительно не было экспериментальная информация о воде за последние 20 лет, кроме для данных нейтронных исследований, — говорит Нильссон. что почти ничего не известно об уникальных свойствах жидкости вода »
Новый результат снова открывает поиск структуры жидкости воды.«Он воскрешает модели, которые считались неподходящими», — говорит Бергманн. Одна из возможностей, по его словам, заключается в том, что молекулы воды могли собираться в цепочки или даже в замкнутые кольца. В конце концов, результатом могло бы быть лучшее понимание химии ячейку, которую, как известно, сложно сымитировать с помощью различных жидкостей. «Ни у кого нет четкого ответа на вопрос, почему вода необходима для жизни», — говорит Нильссон.
В исследовании впервые был применен метод, называемый рентгеновским излучением. абсорбционная спектроскопия к локальной структуре воды.В методика, разработанная SSRL, среди других лабораторий, бомбардирует материал с рентгеновскими лучами, которые точно настроены, чтобы возбудить определенные электроны в структуре молекулы. Тщательное измерение рассеянное излучение выявляет движения возбужденных электронов, которые, в свою очередь, показывают, какие связи образуются молекулами. В эксперименты с использованием интенсивных источников рентгеновского излучения в Национальном Аргоннском университете. Лаборатория и Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, оба которые являются объектами Министерства энергетики США.
В настоящее время команда работает над несколькими проектами, чтобы расширить их полученные результаты.«Мы хотим изучить воду во всем диапазоне давлений и температуры «, — говорит Бергманн. SPEAR3, недавно модернизированный SSRL, ультрасовременный рентгеновский источник, который официально открылся 29 января, будет быть идеальным местом для этого. «Предлагаем построить новый объект по адресу: г. SPEAR3, где структура воды будет значительной частью научный драйв «, — говорит он.
«Вода покрывает большую часть поверхности Земли, присутствует в все формы жизни и, пожалуй, самая важная естественная ресурс для человечества.Несмотря на его знакомство и годы при тщательном изучении вода по-прежнему может преподносить замечательные сюрпризы », — говорит Патрисия Демер, директор Департамента энергетики Министерства энергетики США Наук. «Это сотрудничество … дало новое понимание молекулярные связи в жидкой воде ».
Помимо Нильссона и Бергманна, другие ученые SLAC включены в пятилетнее сотрудничество Philippe Wernet (первый автор статьи, сейчас находится в лаборатории BESSY в Берлине), Хирохито Огасавара и Ларс Наслунд.
Национальный научный фонд США, Министерство энергетики, Национальные институты здравоохранения и Шведского фонда стратегических исследований, а также Шведский совет естественнонаучных исследований поддержал исследовать.
Давиде Кастельвекки (Davide Castelvecchi) — стажер по научной литературе в Стэнфордский центр линейных ускорителей.
Водородные связи в жидкой воде разрываются лишь мимолетно
Аннотация
Хотя широко распространено мнение, что локальная структура жидкой воды имеет тетраэдрическое расположение молекул, упорядоченных водородными связями, механизм, с помощью которого молекулы воды переключаются на партнеров, связанных водородными связями, остается неясным.В этом механизме особое значение имеет роль неводородно-связанных конфигураций (NHB) между соседними молекулами. Молекула может переключать партнеров по водородным связям либо ( — ) посредством термически активированного разрыва водородной связи, которая создает оборванную водородную связь, прежде чем найти нового партнера, либо ( ii ) посредством нечастых, но быстрых событий переключения, в которых NHB является переходное состояние. Здесь мы сообщаем о сочетании фемтосекундной 2D ИК-спектроскопии и моделирования молекулярной динамики для исследования стабильности разновидностей NHB в изотопически разбавленной смеси HOD в D 2 O.Измеренные 2D ИК-спектры показывают, что конфигурации с водородными связями и NHB претерпевают качественно разную динамику релаксации, при этом NHB возвращаются к частотам с водородными связями в масштабе времени самых быстрых межмолекулярных движений воды. Моделирование атомистической модели для колебательной спектроскопии воды ОН дает качественно близкие 2D ИК-спектры к измеренным экспериментально. Анализ NHB в моделировании с помощью тушения показывает, что подавляющее большинство NHB на самом деле являются частью притяжения с водородными связями и что практически все молекулы возвращаются к партнеру по водородным связям в течение 200 фс.Результаты экспериментов и моделирования демонстрируют, что NHB по своей природе нестабильны и что оборванные водородные связи являются незначительными частицами в жидкой воде.
В среднем молекулы в жидкой воде координированы тетраэдрически, но, по-видимому, участвуют в водородных связях на 10% меньше, чем во льду. Эта оценка подтверждается в целом скрытой теплотой плавления и испарения, рассеянием рентгеновских лучей и нейтронов, а также в очень подробной форме моделированием молекулярной динамики (МД) (1–3).Роль неводородно-связанных конфигураций (NHBs) в быстро меняющейся структуре воды остается неопределенной и лежит в основе различий между смесевыми и континуальными моделями воды (1, 3–8). Неявно или явно интерпретация многих экспериментов и МД-моделирования рассматривает NHB как разорванные или оборванные водородные связи, стабильные частицы, которые взаимно преобразуются с конфигурацией с водородными связями (HB) со скоростью, определяемой разделяющим их барьером свободной энергии. Но также возможно, что NHB являются внутренне нестабильными видами, которые временно появляются во время естественных колебаний водородной связи или когда молекулы обмениваются партнерами по водородной связи.Эти два сценария не только дают качественно разные интерпретации структуры воды и того, как она развивается, но также предполагают разные картины того, как вода опосредует химические и биологические процессы. Мы провели различие между этими сценариями, используя комбинацию фемтосекундной 2D ИК-спектроскопии и МД-моделирования, обнаружив, что NHB по своей природе нестабильны, реформируя водородные связи в масштабе времени самых быстрых межмолекулярных движений воды.
Валентное колебание ОН молекулы HOD в D 2 O особенно чувствительно к среде протона, связывающей водородные связи.Спектр поглощения пиков растяжения ОН имеет частоту на несколько сотен волновых чисел ниже, чем в газовой фазе, с шириной (260 см –1 ), отражающей разнообразное распределение микроскопических сред. Моделирование методом МД подтверждает ожидание того, что высокочастотная (синяя) сторона спектра представляет молекулы HOD, которые слабо взаимодействуют со своим доступным партнером по водородным связям, тогда как те, которые участвуют в сильных водородных связях, поглощают на более низких (красных) частотах (9–12) . Таким образом, фемтосекундные спектроскопии, которые исследуют эволюцию во времени частоты валентных колебаний OH, ω OH, для выбранных групп молекул, дают представление об изменении HBs (12-19).
Рис.1 A определяет способность ω OH различать формы HB и NHB. Построенные распределения были получены в результате моделирования методом МД с обычным геометрическим критерием обнаружения водородных связей (12). Они устанавливают относительную вероятность HBs и NHBs, но не указывают временной масштаб или механизм взаимного преобразования. Действительно, многие динамические сценарии согласуются с этими статическими результатами. Рис.1 B и C иллюстрирует двумерные поверхности свободной энергии, представляющие такие изображения (1).В любом случае траектории, охватывающие вертикальную координату, включают переключение партнеров по водородным связям, но они принципиально отличаются наличием или отсутствием барьера, отделяющего HBs от NHBs. Рис.1 B , барьер свободной энергии отделяет HB от стабильного состояния NHB, и траектории переключения могут находиться в области, где группа OH не имеет акцептора водородной связи. Рис.1 C NHB — это нестабильный вид, мимолетно появляющийся по мере того, как система пересекает регион переходного состояния.Концептуально можно было бы провести различие между этими двумя сценариями, наблюдая, как частотные распределения, подготовленные в различных областях этих поверхностей свободной энергии, эволюционируют во времени. Наличие барьера между NHB и HB подразумевает разделение временных масштабов для быстрых флуктуаций внутри бассейнов притяжения и для пересечения барьера между ними. Если бы этот сценарий был точным, время персистенции молекул, приготовленных в состоянии NHB, должно превышать временную шкалу ориентационной или поступательной флуктуации водородных связей, обычно <200 фс (20, 21).Напротив, если виды NHB существуют только временно, частотное распределение, подготовленное на синей стороне, будет релаксировать к центру линии на этой временной шкале.
Рисунок 1.Частотное распределение вероятностей, рассчитанное на основе МД-моделирования и двух поверхностей свободной энергии, описывающих разрыв и преобразование водородных связей, согласующихся с этим распределением вероятностей.( A ) Равновесное распределение ω OH , рассчитанное на основе моделирования методом МД (сплошная зеленая линия). Геометрические критерии (см. Текст) отличают вклад HB (сплошная красная линия) от NHB (сплошная синяя линия) в общее распределение. Доля населения NHB (пунктирная черная линия) резко увеличивается с ω OH . ( B и C ) Два возможных химических сценария для NHB в воде и связь с ИК-спектроскопией. В B NHB представляют собой разорванные водородные связи, которые энтропийно стабилизированы.Желтая стрелка показывает, как молекулы на этом рисунке обмениваются водородными связями. Изначально молекула HB входит в NHB и остается там до того, как тепловое перемешивание выталкивает ее через барьер в водородную связь с другим партнером. В C NHB не является стабильным веществом, а является переходным состоянием, через которое проходят траектории при переключении партнеров по водородным связям (желтая сплошная линия). ( B и C верхний ) Свободная энергия по координате ω OH , которая идентична для любого сценария.
2D ИК-спектроскопия исследует стабильность разновидностей NHB путем измерения времени развития осцилляторов OH, которые инициируются из окружающей среды HB и NHB. Аналогично эксперименту COSY в ЯМР, 2D ИК-спектроскопия — это метод преобразования Фурье, который использует последовательность возбуждения фемтосекундных ИК-импульсов с переменными временными задержками. Двумерный ИК-спектр корреляции, отображаемый как функция двух частотных осей (ω 1 и ω 3 ), тесно связан с совместной вероятностью того, что молекула имеет начальную частоту возбуждения ω 1 и достигает цели. частота ω 3 по истечении времени ожидания τ 2 .В 2D ИК-спектре есть положительный пик, соответствующий основному переходу ( v = 1 ← 0), и отрицательный пик, соответствующий индуцированному поглощению ( v = 2 ← 1), разделенные узловой линией.
Более конкретно, мы измеряем форму 2D ИК-линии как функцию времени ожидания, τ 2 . Контуры двумерного ИК-спектра изменяются с увеличением τ 2 , поскольку частоты ОН смещаются по мере эволюции молекулярного окружения (22). Распределение частот, которое является статическим во время τ 2 , дает форму линии, которая вытянута по диагонали (ω 1 = ω 3 ) за счет распределения сред и расширена вдоль антидиагональных срезов [(ω 1 + ω 3 ) / 2 = Ω] динамикой колебаний молекул на частоте Ω (23).Когда среды взаимно преобразуются в масштабе времени быстрее, чем τ 2 , форма линии для каждого резонанса имеет круговую симметрию, которая отражает статистическую независимость ω 1 и ω 3 . Измерения изменения формы линии от диагональной к симметричной по мере увеличения τ 2 можно использовать для характеристики средней амплитуды и временных масштабов частотных флуктуаций с помощью корреляционной функции C ( t ) = 〈ω OH ( t ) ω OH (0)〉 — 〈ω OH 〉 2 , но в более общем плане показывают, как одна частота переходит в другую.Более подробное описание 2D ИК-спектров, включая экспериментальные процедуры, можно найти на рис. 5 и 6 и Supporting Text , которые публикуются в качестве вспомогательной информации на веб-сайте PNAS.
Рис.2 A отображает экспериментально измеренные 2D ИК-спектры участка OH HOD в D 2 O для различных времен ожидания. В широком смысле спектры развиваются так, как предсказывает наша ранее измеренная функция частотной корреляции (21).Эта потеря корреляции лучше всего видна во вращении узловой линии, разделяющей отрицательный и положительный пики. Раньше очертания линий были удлиненными. По мере увеличения времени ожидания узел вращается, становясь почти параллельным оси ω 1 . Наклон узловой линии выгодно отличается от прогнозов, основанных на нашей корреляционной функции (рис. 2 C ), который имеет время корреляции 340 фс для рандомизации всех частот OH. Однако, как усредненная по ансамблю мера спектральных флуктуаций, C ( t ) не может различать динамику HBs и NHBs.
Рис. 2.Экспериментальные и смоделированные 2D ИК-спектры HOD в D 2 O. ( A и B ) Двумерные ИК-корреляционные спектры из экспериментов ( A ) по сравнению с 2D-формой линии, рассчитанной из МД-моделирования ( B ) для различного времени ожидания τ 2 . ( C и D ) Графики наклона узла путем подгонки между основным и v = 2 ← 1 для эксперимента ( C ) и моделирования ( D ) в зависимости от времени ожидания, τ 2 .Наклон узла (квадраты) был рассчитан путем аппроксимации прямой линии, проходящей через узел каждой поверхности, в пределах от ω 1 / 2πc = от 3 250 см – 1 до 3 450 см – 1. Сплошная линия, построенная с данными в C , представляет собой прогнозируемое поведение, основанное на нашем ранее измеренном C ( t ) (21).
Асимметрия формы линий 2D ИК даже на ранней стадии ожидания более показательна. Он возникает из-за качественно различных механизмов спектральной релаксации для красной и синей сторон формы линии, что указывает на различие в масштабах времени релаксации для разновидностей HB и NHB.Противодиагональные срезы по форме линии, показанной на рис. 3 A , демонстрируют, что синяя сторона (Ω синий = 3,515 см –1 ) шире, чем красная сторона (Ω красный = 3 270 см –1 ). Обратная ширина линии для синего среза является качественной мерой времени жизни разновидностей NHB и указывает на то, что молекулы первоначально в NHB возвращаются к частотам, связанным с разновидностями HB, на шкале времени наиболее быстрых флуктуаций водородных связей (<150 фс). .††
Рис. 3.Сравнение частотно-зависимого уширения двумерных ИК-линий и антидиагональных срезов через двумерные поверхности. Сплошная черная линия обозначает диагональную ось (ω 3 = ω 1 ), а белые линии, ортогональные ей, показывают антидиагональные срезы к красному и синему центру полосы.Срезы были взяты с каждой стороны от центра линии с 30% максимальной амплитуды. ( A ) Экспериментальные данные и срезы для τ 2 = 100 фс. ( B и C ) Иллюстрации прогнозируемых форм 2D ИК-линий и срезов для двух проявлений стабильной модели NHB, изображенной на рис. 1 B . ( B ) Модель с двумя состояниями для двух перекрывающихся резонансов, соответствующих стабильным формам HB и NHB. ( C ) Непрерывное распределение стабильных частиц с различной конфигурацией водородных связей.Для B и C формы линий были получены с использованием ранее установленных линейных корреляций между прочностью водородной связи (т. Е. Красным смещением средней частоты относительно газовой фазы) и полной шириной на половине максимума растяжения ОН. переходом (24), а также включением частотно-зависимого ангармонизма обертонного перехода. ( D ) Расчетная форма 2D-ИК-линии и срезы, рассчитанные на основе МД-моделирования.
Если бы NHB был стабильным видом, как показано на рис.1 В форма 2D-ИК-линий заметно отличается от измеренных спектров. Хорошо установленная обратная пропорциональность между ω OH и шириной линии OH (16, 24) может быть использована для предсказания формы 2D ИК-линии для двух версий стабильного сценария NHB. Один состоит из двух стабильных видов (рис. 3 B ), тогда как другой постулирует непрерывное распределение стабильных частиц с различной прочностью водородной связи (рис. 3 C ).Оба изображения приведут к двумерной ИК-форме линии при коротком времени ожидания, которая предпочтительно расширяется на красной стороне линии, а не на синей стороне. Корпус на рис.3 C наиболее четко согласуется с интерпретацией Файера с соавторами (18, 19), которые измерили качественно похожие 2D ИК-спектры для OD участка HOD в H 2 O. Они пришли к выводу, что временные масштабы до τ 2 = 400 фс отражают колебания относительно неподвижных структур с менее ограниченными локальными структурами на синей стороне.
МД моделирование позволяет нам изучить микроскопическое происхождение 2D ИК-спектров в механистических деталях (9–12). Стратегии моделирования, которые мы использовали для вычисления C ( t ) для атомистической модели, основанной на парном потенциале SPC / E (простой точечный заряд с расширенным зарядом) (12), применяются непосредственно к расчетам двумерных ИК-корреляционных спектров. Расчетные формы линий, представленные на рис. 2 B и для сравнения на рис. 3 D , очень напоминают соответствующие экспериментальные результаты по нескольким ключевым характеристикам.Наиболее важно то, что синяя сторона формы линии расширяется вдоль оси ω 3 быстрее, чем красная сторона. Противодиагональные срезы на рис.3 D выделить этот факт. Как и в экспериментальных измерениях, наклон узловой линии затухает с временной зависимостью, определяемой величиной C ( t ) (рис. 2 D ). ).
Чтобы определить происхождение вычисленных спектральных характеристик с точки зрения динамики водородных связей, мы должны разделить на категории HB и NHB.Удобные и стандартные геометрические критерии для определения водородных связей используют только мгновенное расстояние O-H ··· O ( R OO ) и угол O-H ··· O (α) между HOD и молекулой, проксимальной к атому H (25). Эти критерии полезны для диагностики стабильности NHB в любом из сценариев, изображенных на рис. 1 B, и C. Мы обозначили расположение молекул с помощью R . OO <3,5 Å и α <30 ° как HBs, так и с большими расстояниями или углами как NHBs.Хотя эти значения отсечения произвольны, разные варианты не меняют наших выводов.
Если NHB стабильно, то короткие траектории, инициированные из этого состояния, должны оставаться в NHB с большой вероятностью. Любой барьер, препятствующий образованию водородных связей, станет еще более явным, если мы постоянно удаляем кинетическую энергию из системы. ‡‡ Применительно к типичным конфигурациям H 2 O или D 2 O такое быстрое гашение создает «внутренние структуры» (26 ) жидкости, в которой ≈98% молекул отдают две водородные связи.Эти структуры не имеют дальнего порядка льда, демонстрируя, что даже неупорядоченные жидкие среды могут вместить насыщенную сеть водородных связей.
Мы применили нашу процедуру гашения к высокочастотному распределению молекул с мгновенной частотой> 3,600 см –1 (рис. 4). Примерно 7% равновесных конфигураций начинаются с ω OH > 3 600 см –1 . Из них 70% начинаются как NHB, но только 10% остаются NHB после закалки.Мы утверждаем, что только эти стойкие NHB образуют разорванные водородные связи. Остальные NHB не являются членами отдельного стабильного состояния, а принадлежат бассейну притяжения неповрежденных водородных связей. Судьба NHBs при температуре окружающей среды подтверждает это различие. Мы классифицировали конфигурации с ω OH > 3 600 см –1 как стабильные NHB (NHB при закалке) или нестабильные NHB (HB при закалке). На рис. 4 показано, как доля водородных связей для этих двух групп конфигураций возвращается к равновесной доле водородных связей (89%).Стабильная группа явно сохраняется как NHB в течение более длительного времени. Но даже эта редкая коллекция быстро распадается со скоростью ≈ (200 фс) –1 . Эти величины убедительно демонстрируют, что даже самые напряженные водородные связи сохраняются как NHB только в течение нескольких сотен фс. Разорванные водородные связи, сохраняющиеся в течение 1 пс и более, встречаются крайне редко. §§
Инжир.4.Зависимые от времени заселенности водородных связей при комнатной температуре для 7% молекул с ω / 2πc> 3600 см – 1 при t = 0. Красная линия обозначает небольшую часть (10%) конфигураций при t. = 0, которые преобразуются в HB (стабильный HB), а черная линия показывает конфигурации, которые преобразуются в NHB (нестабильный HB). Значение t = 0 представляет собой долю стабильных NHB или HB, которые изначально связаны водородными связями. Пунктирная фиолетовая линия показывает равновесную долю водородных связей (89%).
Типичная конфигурация жидкой воды содержит множество молекул воды с явно разорванными водородными связями. Наши экспериментальные и теоретические результаты подтверждают картину на рис. 1 C , в котором подавляющее большинство этих NHB на самом деле являются просто частыми экскурсиями в области притяжения для молекул, связанных с водородом. Межмолекулярные движения, скорее всего либрации на шкале времени 50 фс, толкают NHBs в новую HB или обратно к исходной HB.В любом случае результатом является быстрое красное смещение в ω OH . Наши выводы контрастируют с исследованиями воды и водных растворов, которые рассматривают различные виды с водородными связями как химически разные состояния и рассматривают эксперименты как смесь этих сред с водородными связями.
Для классификации поверхности свободной энергии с водородными связями простых структурных критериев, широко используемых в химической и биологической физике, недостаточно. Наши результаты показывают, что ни стандартные геометрические критерии, ни значение частоты ОН не могут успешно предсказать судьбу NHB после гашения.Учитывая недостатки этих классификаций, мы предлагаем, чтобы время сохранения, превышающее межмолекулярное движение системы, было определено для определения видов HB и NHB. Такое определение считается само собой разумеющимся для ковалентной связи, для которой стабильное (связанное) состояние должно сохраняться дольше, чем период колебаний. Для водородных связей в жидкостях характеристика структуры и кинетики как функции времени стойкости встречается реже (1, 27, 28). Наши результаты свидетельствуют в пользу точки зрения, первоначально заявленной несколько десятилетий назад, о том, что если NHB нестабильны, то теоретические и экспериментальные исследования структуры воды с точки зрения разорванных водородных связей «дадут нерешительные или противоречивые результаты» (1).Такие подходы придают значение разорванным водородным связям, которое следует пересмотреть. Для естественных колебаний равновесия разорванная водородная связь, которая стабилизируется жидким беспорядком, кажется скорее любопытством, чем ключевым игроком.
Благодарности
Работа поддержана грантом Министерства энергетики США DE-FG02-99ER14988. Дополнительную поддержку оказал Центр лазерных исследований Массачусетского технологического института (грант Национального научного фонда CHE-0111370).В. получил стипендии от Фонда Дэвида и Люсиль Паккард и Фонда Альфреда П. Слоана. J.J.L. получил стипендию по науке и технике национальной обороны при Министерстве обороны.
Сноски
↵ ¶ Кому должна быть адресована корреспонденция. Электронная почта: tokmakof {at} mit.edu.
↵ † Дж.D.E. и J.J.L. внес равный вклад в эту работу.
↵ ‡ Текущий адрес: Химический факультет Колумбийского университета, Нью-Йорк, NY 10027.
↵ § Нынешний адрес: Департамент прикладной и инженерной физики Корнельского университета, Итака, штат Нью-Йорк 14853.
Вклад авторов: Дж.D.E., J.J.L., C.J.F., A.T. и P.L.G. спланированное исследование; J.D.E., J.J.L., C.J.F. и S.T.R. проведенное исследование; J.D.E., J.J.L., C.J.F., S.T.R., A.T. и P.L.G. проанализированные данные; и J.D.E., J.J.L., C.J.F., S.T.R., A.T. и P.L.G. написал газету.
Сокращения: HB, конфигурация с водородными связями; NHB, конфигурация без водородной связи; MD, молекулярная динамика.
↵ † † Длительность импульсов (45 фс на полувысоте) определяет инструментальное временное разрешение, которое достаточно быстрое, чтобы разрешить все спектральные релаксации в воде.Даже в этом случае временное разрешение для 2D ИК-эксперимента определяется не только длиной импульса, но и временными масштабами спектральных флуктуаций. Конечный период времени Δτ требуется для выбора разрешения по частоте шириной Δω ≈ 2π / Δτ. Микроскопическая динамика размывает частоты переходов во время Δτ, так что наблюдение теряет динамическую информацию на этом интервале. Кратчайший измеряемый временной интервал в 2D ИК-эксперименте OH-участка HOD в D 2 O, определяемый инверсией антидиагональной ширины линии, составляет Δτ 1 + τ 2 + Δτ 3 ≳ 150 фс .Это время быстрее, чем все межмолекулярные движения в воде, кроме либраций.
↵ ‡‡ Гашение жидких конфигураций до ближайших минимумов потенциальной энергии — полезная стратегия для исследования бассейнов притяжения, при условии, что состояние NHB не стабилизируется энтропией. Заметный энтропийный вклад a priori кажется маловероятным, учитывая несколько ограничений, налагаемых одинарной водородной связью.Это ожидание подтверждается быстрым распадом популяций NHB, показанным на рис. 4. Подробности процедуры подавления можно найти в вспомогательном тексте .
↵ §§ Стратегии моделирования с использованием различных моделей воды (9–12) и методы вычисления частот колебаний дают качественно похожие результаты для C ( t ). Внутримолекулярная электронная поляризуемость, отсутствующая в любой модели воды с фиксированным зарядом, увеличивает прочность водородной связи и почти вдвое превышает значение высокочастотной диэлектрической проницаемости воды.Действительно, включение молекулярной поляризуемости может улучшить количественное согласие между рассчитанным C ( t ) и измеренным экспериментально, но эти эффекты мало влияют на наши выводы. Фактически, поляризуемые модели предсказывают более высокую степень стабилизации HB по сравнению с видами NHB, что дополнительно подтверждает наше наблюдение, что предполагалось, что NHB возвращаются обратно в HBs на временных масштабах самых быстрых межмолекулярных движений.
- Авторские права © 2005, Национальная академия наук
qic16
16.Опишите тип связи внутри молекулы воды и между молекулы воды. Дайте одно свойство, которое характеризует воду, которая возникает благодаря связям между молекулами воды. Почему это важно для жизни?
Связи между кислородом и атомами водорода внутри в молекуле воды находятся полярные ковалентные связи , т. е. электроны не являются делятся поровну между кислородом и водородом. Кислород имеет более высокое сродство к электронов, чем водород.Однако для кислорода разница невелика. чтобы полностью оторвать электрон любого атома водорода. Вместо этого электронные пары проводят больше времени вокруг ядра атома кислорода, чем атомов водорода. Из-за того, как эти полярные ковалентные связи образуются между кислородом и водородом, существует «кислородный» конец в молекуле и «водородный» конец (проверьте диаграмму на странице 27 вашего текста). Кислородный конец, где электроны проводят больше их время, имеет частичный отрицательный заряд.Водородный конец молекулы, который не имеет большого доступа к этим электронам, имеет частичный положительный заряд. Таким образом , молекула воды имеет полярность (положительный конец и отрицательный конец). Поскольку молекула проявляет полярность, молекулы воды притягиваются к каждой из них. другое (притягиваются противоположные обвинения). Это слабое притяжение между молекулами или частями больших молекул из-за областей заряда на молекуле приводит к связям, называемым водородными связями .Взгляните на схему на странице 2-13 в вашем учебном пособии. Эта диаграмма показывает полярность молекулы воды как а также водородная связь между двумя молекулами воды.
Полярность молекулы воды важна для жизни, поскольку клетки в первую очередь воды! Тот факт, что вода имеет высокую удельную теплоемкость (отражение водородных связей между молекулами воды) означает, что организмы устойчивы к изменениям по температуре.
