Site Loader

Содержание

Молекулярные и немолекулярные вещества — урок. Химия, 8–9 класс.

Существуют вещества с молекулярным и немолекулярным строением.

 

Между молекулами возникают силы взаимного притяжения и отталкивания. Наиболее выражены эти силы в твёрдых веществах, а наименее — в газах.

 

Силы взаимодействия между молекулами слабые, поэтому молекулярные вещества летучи, имеют низкие температуры плавления и кипения. Все газообразные и жидкие при обычных условиях вещества состоят из молекул. Молекулярные вещества могут быть и твёрдыми, но узнать их можно по легкоплавкости.

 

Обрати внимание!

Газы, жидкости и легкоплавкие твёрдые вещества имеют молекулярное строение.

Все вещества, имеющие запах, имеют молекулярное строение.

Атомы могут соединяться друг с другом и другим способом. Так, в кристаллах алмаза, графита, песка все атомы соединены в единое целое, и молекулу выделить в них невозможно.

 

Рис. \(1\). Строение алмаза

 

Подобное строение имеют железо, медь, цинк, алюминий и другие металлы.

 

В некоторых сложных веществах атомы превращаются в заряженные частицы — ионы — и тоже молекул не образуют. Противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу и образуют твёрдое тугоплавкое вещество. Такое строение имеют поваренная соль, мел, питьевая сода, медный купорос, щёлочь.

 

Рис. \(2\). Строение поваренной соли

  

Такие вещества называют немолекулярными. В их кристаллах связи между частицами прочные, поэтому все немолекулярные вещества твёрдые, нелетучие, тугоплавкие.

Источники:

Рис. 1. Строение алмаза https://image.shutterstock.com/image-vector/illustration-chemical-carbon-has-several-600w-1717122967.jpg

Рис. 2. Строение поваренной соли https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e9/Sodium-chloride-3D-ionic.png

Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Тип кристаллической решетки. Зависимость свойств веществ от их состава и строения / Справочник :: Бингоскул

Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Тип кристаллической решетки

Неорганические и органические соединения отличаются по строению. Меньше веществ, образованных молекулами. Гораздо чаще встречается немолекулярные соединения. Частицы веществ могут быть упорядочены расположены в пространстве, образуют кристаллическую решетку. Тип структуры влияет на свойства различных химических соединений.

Молекулярное и немолекулярное строение веществ

Представления о существовании атомов возникли в древности. Греческое название переводится как «неделимые». Долгое время термины «атом», «корпускула», «молекула» были почти синонимами. Ясность внесли химики всего мира в 1860 году. Ученые приняли решение называть атомами мельчайшие частицы вещества. Они могут входить в состав молекул и немолекулярных структур.

Строение — это характеристика структурных единиц вещества, их расположение в пространстве (кристаллическая решетка).

Таблица 1.

Типы веществ по строению

Типы

Общие признаки

Тип кристаллической решетки

Вещества молекулярного строения.

Мельчайшие структурные единицы (частицы) — молекулы.

Молекулярная.

Вещества немолекулярного строения.

Мельчайшие структурные частицы — атомы или ионы.

Атомная, ионная или металлическая.

Неметаллы, их соединения — вещества преимущественно молекулярного строения. Водород, кислород, азот, хлор, моно- и диоксид углерода, аммиак состоят из молекул сравнительно небольшого размера. Состав отражают формулы Н2, О2, N2, Cl2, СО, СО2, NH3. Наиболее распространенное вещество молекулярного строения — вода (Н2О) (Рис. 1).

Рис. 1. Строение молекулы воды

Агрегатное состояние при разных температурах отличается. В обычных условиях эти вещества являются газами. Вода при комнатной температуре — жидкость, при 0°С — превращается в лед, имеющий кристаллическое строение. При 100°С образуется газ (пар).

Сахар и другие твердые органические вещества тоже состоят из молекул. Состав глюкозы отражает формула С6Н12О6. На рис. 2 показано пространственное расположение атомов в молекуле.

Рис. 2. Строение молекулы глюкозы

Немолекулярных соединений в природе гораздо больше. К этой группе относятся инертные газы, алмаз, графит (аллотропные видоизменения, модификации углерода), минерал кварц, различные соли, металлы. Это преимущественно твердые вещества (при комнатной температуре). Исключение — ртуть, жидкий металл, затвердевающий лишь при –30°С. Среди веществ немолекулярного строения встречаются наиболее твердые и тугоплавкие, обладающие высокой тепло- и электропроводностью.

Кристаллические решетки: типы и примеры

Структурные частицы природных и искусственно полученных веществ находятся в определенных точках пространства, на расстоянии друг от друга. Упорядоченное расположение называют кристаллической решеткой. В ее узлах находятся атомы, ионы или молекулы. На рисунках они обычно изображены кружочками. Черточками между ними условно обозначают химические связи.

Шаро-стержневые объемные модели тоже помогают лучше представить расположение структурных единиц в пространстве. Шарики символизируют частицы вещества, стержни между ними — химическую связь, как на рис. 3.

Рис. 3. Кристаллическая решетка

Вещества кристаллического строения широко распространены, имеют большое практическое значение. Они встречаются в природе, находят применение в промышленности, медицине, сельском хозяйстве, быту. (Рис. 4).

Рис. 4. Кристаллические решетки и примеры веществ

Рассмотрим особенности четырех основных типов кристаллической решетки.

Атомная

Такие кристаллические структуры распространены среди простых веществ. В узлах находятся атомы. Примеры веществ: графит и алмаз (аллотропные видоизменения, модификации углерода), кремний.

Прочную атомную кристаллическую решетку также имеют горный хрусталь и кварц (минералы состоят из диоксида кремния). Отличие от простых веществ существенное — в узлах находятся атомы кремния и кислорода, т. е. разных элементов.

Вещества атомного строения обычно твердые (за исключением графита), нерастворимые в воде, тугоплавкие, являются изоляторами или полупроводниками.

Молекулярная

В узлах кристаллической решетки — молекулы. Простые вещества с этим типом пространственного строения: S8 — кристаллическая сера, Р4 — белый фосфор, Br2 — бром, I2 — кристаллический йод. Н2О в виде льда, СО2 («сухой лед») — сложные вещества с молекулярной кристаллической решеткой.

Силы притяжения между структурными единицами относительно слабые, поэтому связи легко разрушаются. Например, йод возгоняется — переходит из твердого состояния в газообразное при комнатной температуре. (Рис. 5, 6).

Рис. 5. Кристаллический йод и раствор в спирте Рис. 6. Строение кристаллов йода

Твердые органические соединения тоже имеют преимущественно молекулярную решетку. Это непрочные структуры, которые разрушаются при повышении температуры, растворении в воде.

Ионная

В узлах расположены ионы — заряженные частицы. Классический пример вещества с этим типом кристаллической решеткой — поваренная соль или хлорид натрия. (Рис. 7).

Рис. 7. Кристаллы поваренной соли

Катионы — положительно заряженные частицы. В электрическом поле они перемещаются к отрицательному полюсу источника тока (катоду). Отрицательные ионы движутся к аноду, имеющему заряд «+».

Ионная решетка характерна для солей, оксидов и гидроксидов металлов I–III групп периодической системы, большой группы соединений металлических элемент из других групп. Такие вещества обычно твердые и тугоплавкие.

Ионы высвобождаются при расплавлении и растворении. Расплавы и растворы являются электролитами, проводниками электрического тока, более слабыми, по сравнению с металлами.

Металлическая

Есть значительные отличия от трех предыдущих типов кристаллического строения. В узлах расположены нейтральные атомы и катионы. Между ними беспорядочно движутся электроны, образующие так называемый «электронный газ». (Рис. 8).

Рис. 8. Строение металла

Металлы, их сплавы — твердые вещества, имеющие металлический блеск. Они тугоплавкие, обладают высокой тепло- и электропроводностью.

Все известные соединения состоят из атомов, молекул либо ионов. Упорядоченное расположение структурных единиц в пространстве — кристаллическая решетка. Физические свойства веществ во многом определяются типом соединения частиц.

Труднее разрушается атомная, легче — молекулярная кристаллическая решетка. Чтобы «освободить» частицы в составе ионного кристалла, достаточно растворить или расплавить вещество. Особенностью металлической решетки является наличие «электронного газа», высокая электропроводность веществ.


 

Смотри также:

 

 

Сборка тестов по химии по теме «Строение вещества»

Чтобы поделиться, нажимайте

Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Тип кристаллической решетки. Зависимость свойств веществ от их состава и строения.

Также вы можете ознакомиться со всеми тестами ЦТ по химии перейдя по ссылке http://www.yoursystemeducation.com/ct/ или всеми заданиями ЕГЭ по химии перейдя по ссылке http://www.yoursystemeducation.com/realnoe-ege/

  1. Немолекулярное строение имеет: 1) фуллерен,       2) алмаз,     3) вода,       4) углекислый газ.

  2. Немолекулярное строение имеет: 1) железо,         2) водород,     3) кислород,   4) угарный газ.

  3. Ионную кристаллическую решетку имеет:                                                                                                           1) бромид калия,           2) бром,           3) калий,             4) бромоводород.

  4. Молекулярную кристаллическую решетку имеет:                                                                                             1) литий,             2) оксид натрия,           3) красный фосфор,               4) белый фосфор.

  5. Молекулярную кристаллическую решетку имеет:                                                                                      1) фторид серы (VI),     2) сульфид натрия,       3) графит,         4) натрий.

  6. Молекулярное строение имеет:                                                                                                                           1) йод,         2) йодид калия,         3) гидроксид калия,           4) гидроксид алюминия.

  7. Немолекулярное строение имеет:                                                                                                                       1) йод,         2) хлорид йода,         3) гидроксид калия,             4) уксусная кислота.

  8. Немолекулярное строение имеет:                                                                                                                       1) цинк,       2) муравьиная кислота,              3) фтороводород,             4) кислород.

  9. Молекулярную кристаллическую решетку в твердом состоянии имеет:                                                         1) иодид бария,         2) гидроксид бария,       3) барий,             4) йод.

  10. Ионную кристаллическую решетку имеет:                                                                                                           1) фтор,           2) фтороводород,             3) гидрид натрия,           4) хлорид титана(IV).

  11. Молекулярное строение имеет:                                                                                                                           1) оксид кремния(IV),      2) нитрат бария,       3) хлорид натрия,       4) оксид углерода(II).

  12. Молекулярную кристаллическую решетку имеют:                                                                                           1) H2O, CuO,            2) CuO, K2S,            3) K2
    S, H2SO4,            4) H2SO4, O2.

  13. Атомную кристаллическую решетку имеет:                                                                                                     1) графит,             2) железо,                 3) карбонат кальция,           4) азотная кислота.

  14. Ионную кристаллическую решетку имеет:                                                                                                     1) фторид кальция,           2) оксид кремния,             3) алмаз,           4) медь.

  15. Вещество, имеющее низкую температуру плавления, возгоняющееся при нагревании, неэлектропроводное – имеет кристаллическую решетку:                                                                                 1) ионную,             2) металлическую,             3) молекулярную,             4) атомную.

  16. Твердое, хрупкое вещество, расплав которого проводит электрический ток – имеет кристаллическую решетку: 1) ионную,   2) металлическую,     3) молекулярную,   4) атомную

  17. Вещество, имеющее высокую электропроводность, ковкое, пластичное, имеет кристаллическую решетку: 1) ионную,         2) металлическую,         3) молекулярную,       4) атомную.

  18. Тугоплавкое хрупкое вещество, нерастворимое в воде, имеет кристаллическую решетку:                       1) ионную,               2) металлическую,               3) молекулярную,             4) атомную

  19. Атом является структурной единицей в кристаллической решетке:                                                           1) фосфорной кислоты,           2) белого фосфора,           3) кремнезема,         4) хлорида аммония.

  20. В кристалле вольфрама частицы связаны металлической связью, поэтому вольфрам:                               1) тугоплавок,           2) химически стоек,         3) электропроводен,   4) имеет высокую плотность.

  21. Ионный тип кристаллической решетки характерен для:                                                                                     1) кислот,         2) металлов,         3) неметаллов,           4) солей.

  22. Из молекул состоит каждое из веществ: 1) поваренная соль и кислород,   2) оксид магния и хлороводород,   3) вода и хлор,   4) алмаз и сода.

  23. Атомную кристаллическую решетку имеет каждое из веществ:                                                                     1) алмаз и графит,         2) аммиак и йод,           3) озон и кислород,         4) вода и мел.

  24. Ионную кристаллическую решетку имеет каждое из веществ:                                                                   1) серная кислота и оксид углерода(IV),                   2) гидроксид натрия и хлорид калия,                               3) карбонат кальция и хлороводород,                       4) оксид кремния и гидроксид меди(II).

  25. Верны ли следующие суждения о типах кристаллических решеток веществ в твердом состоянии? А) этанол имеет ионную кристаллическую решетку.                                                                                       Б) йод имеет молекулярную кристаллическую решетку.                                                                                1) верно только А,       2) верно только Б,       3) верны оба суждения,     4) оба суждения неверны.

  26. Какие свойства характерны для вещества с атомной кристаллической решеткой?                                           1) нерастворимость в воде и тугоплавкость,               2) хрупкость и легкоплавкость,                                   3) растворимость в воде и летучесть,                           4) хорошая тепло- и электропроводность.

  27. В твердых веществах молекулярного строения химическая связь:                                                                 1) ковалентная,               2) металлическая,             3) ионная,               4) водородная

  28. В твердых веществах атомного строения химическая связь между атомами:                                               1) ковалентная,               2) металлическая,             3) ионная,               4) водородная

  29. Некоторое вещество тугоплавко и не проводит электрический ток ни в твердом виде, ни в расплаве. Какую кристаллическую решетку оно имеет?                                                                                     1) атомную,             2) молекулярную,             3) ионную,             4) металлическую.

  30. Некоторое вещество тугоплавко и не проводит электрический ток в твердом виде, но его водный раствор обладает электрической проводимостью. Какую кристаллическую решетку имеет это вещество? 1) атомную,             2) молекулярную,             3) ионную,             4) металлическую.

  31. Выберите вещество, которое в твердом состоянии имеет молекулярную кристаллическую решетку: 1) С (графит),      2) SiO
    2,            
    3) SiC,               4) CO2

  32. Выберите вещество, которое в твердом состоянии имеет атомную кристаллическую решетку:                  1) SiO2,         2) SiH4,         3) O2,           4) Na.

  33. Выберите вещество, которое в твердом состоянии имеет ионную кристаллическую решетку:                     1) N2O5,        2) HNO3,         3) NH4NO3,         4) NH3.

  34. Какое свойство характерно для веществ с атомной кристаллической решеткой? 1) высокая плотность,   2) тугоплавкость,   3) хорошая растворимость в воде,   4) электропроводность.

  35. Один и тот же тип решетки в кристаллическом состоянии имеют: 1) хлор и водород, 2) вода и алюминий,   3) поваренная соль и серная кислота,   4) кремнезем и гидроксид натрия.

  36. Запахом обладают вещества, имеющие кристаллическую решетку:                                                             1) атомную,             2) молекулярную,         3) ионную,            4) металлическую.

  37. Молекулярную решетку в кристаллическом состоянии имеет:                                                                       1) хлорид натрия,         2) хлор,           3) натрий,           4) гидроксид натрия.

  38. Хлорид-ионы отсутствую в кристаллах:                                                                                                           1) хлорида натрия,       2) хлорида кальция,       3) хлорида фосфора(V),       4) хлорида цезия.

  39. Ионную кристаллическую решетку в кристаллическом состоянии имеет:                                                           1) бром,           2) вода,           3) серная кислота,             4) карбонат натрия.

  40. Металлическую кристаллическую решетку имеет: 1) NH3,        2) AlCl3,      3) Cu3Al,       4) CuO.

  41. Один и тот же тип решетки в кристаллическом состоянии имеют вода и:                                                         1) железо,         2) углекислый газ,         3) поваренная соль,         4) алмаз.

  42. Легкоплавкое кристаллическое вещество хорошо растворимо в этаноле и не проводит электрический ток ни в расплаве, ни в растворе. Какую кристаллическую решетку оно имеет?               1) атомную,       2) молекулярную,         3) ионную,         4) металлическую.

  43. Тугоплавкое кристаллическое вещество нерастворимо в воде и хорошо проводит теплоту и электрический ток. Какую кристаллическую решетку оно имеет?                                                                 1) атомную,       2) молекулярную,         3) ионную,         4) металлическую.

  44. Тот же тип кристаллической решетки, что и у сульфата натрия, имеет:                                                       1) красный фосфор,         2) хлороводород,           3) серная кислота,               4) сульфид бария.

  45. Тот же тип кристаллической решетки, что и у натрия, имеет:                                                                     1) хлорид цинка,             2) сульфат натрия,         3) карбонат натрия,             4) золото.

  46. Тот же тип кристаллической решетки, что и у кислорода, имеет:                                                                   1) бром,           2) оксид натрия,           3) поваренная соль,           4) калий.

  47. Один и тот же тип решетки в кристаллическом состоянии имеют:                                                                    1) фтор и фторид натрия,                           2) хлор и хлорид калия,                                                                 3) хлорид натрия и гидроксид калия,       4) оксид хлора(VII) и гидроксид калия.

  48. Оксид алюминия в кристаллическом состоянии имеет тот же тип кристаллической решетки, что и: 1) алюминий,       2) кислород,         3) фтор,        4) фторид алюминия.

  49. Ванилин представляет собой легкоплавкое кристаллическое вещество с характерным запахом. Какой тип кристаллической решетки он имеет?                                                                                                 1) атомный,           2) молекулярный,             3) ионный,          4) металлический.

  50. Атомную решетку в кристаллическом состоянии имеет:                                                                                 1) азот,         2) аммиак,           3) карбид кремния,           4) платина.

  51. Один и тот же тип решетки в кристаллическом состоянии имеют:                                                               1) натрий и хлорид натрия,                       2) сульфат бария и барий,                                                                   3) сульфат бария и серная кислота,         4) серная кислота и оксид серы(VI).

  52. Для твердых веществ с молекулярной кристаллической решеткой характерна высокая:                         1) плотность,     2) температура плавления,     3) летучесть,   4) энергия связи между молекулами.

  53. Для твердых веществ с металлической кристаллической решеткой характерна низкая:                               1) теплопроводность,                                     2) плотность,                                                                                                  3) летучесть при комнатной температуре,   4) электропроводность.

  54. Для твердых веществ с ионной кристаллической решеткой характерна низкая:                                        1) температура плавления,                      2) энергия связи между ионами,                                                  3) растворимость в воде,                         4) летучесть.

  55. Твердое вещество с ионной кристаллической решеткой расплавили. Полученная жидкость:                     1) имеет высокую плотность,                 2) быстро испаряется,                                                                           3) неприятно пахнет,                               4) проводит электрический ток.

  56. Атомную кристаллическую решетку не образует:                                                                                           1) кремний,         2) германий,             3) алюминий,           4) углерод.

  57. Если вещество хорошо растворимо в воде, имеет высокую температуру плавления, не электропроводно, то его кристаллическая решетка:                                                                                     1) молекулярная,           2) атомная,           3) ионная,         4) металлическая.

  58. Понятие «молекула» не применимо по отношению к структурной единице вещества:                           1) хлороформа,           2) кислорода,         3) алмаза,         4) озона.

  59. Атомная кристаллическая решетка характерна для:                                                                                       1) алюминия и карбида алюминия,                     2) серы и йода,                                                                   3) оксида кремния и хлорида натрия,                 4) алмаза и бора.

  60. Вещества, имеющие молекулярную кристаллическую решетку, как правило:                                             1) тугоплавкие и хорошо растворимые в воде,         2) легкоплавкие и летучие,                                            3) твердые и электропроводные,                               4) теплопроводные и пластичные.

Ответы приведены в конце страницы.

 

А вот некоторые задания ЦТ и ЕГЭ с видео-объяснением:

А18 ЦТ 2010. Укажите названия веществ, в молекулах которых содержатся кратные связи и все атомы лежат в одной плоскости: а) стирол; б) фенилацетилен; в) сероводород; г) бутин-1:

  1. б, г
  2. а, г
  3. а, б
  4. б, в

А19 ЦТ 2010. Укажите название вещества, которое в твёрдом состоянии имеет атомную кристаллическую решётку:

  1. серная кислота
  2. оксид кремния (IV)
  3. алюминий
  4. водород

Досрочный ЕГЭ 2018. Из предложенного перечня веществ выберите два вещества, в которых присутствует ковалентная неполярная химическая связь.
1) этан;
2) азотная кислота;
3) гидроксид бария;
4) хлор;
5) аммиак;
Запишите в поле ответа номера выбранных веществ.

 

Также вы можете ознакомиться со всеми тестами ЦТ по химии перейдя по ссылке http://www.yoursystemeducation.com/ct/ или всеми заданиями ЕГЭ по химии перейдя по ссылке http://www.yoursystemeducation.com/realnoe-ege/

Ответы:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
2 1 1 4 1 1 3 1 4 3 4 4 1 1 3
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
1 2 4 3 3 4 3 1 2 2 1 4 1 1 3
31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45
4 1 3 2 1 2 2 3 4 3 2 2 4 4 4
46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60
1 3 4 2 3 4 3 3 4 4 3 3 3 4 2

 

А также вы можете проделать большое число заданий на эту тему с подробными видео-объяснениями в отдельном разделе «Химическая связь и строение вещества»

А также вы можете получить доступ ко всем видео-урокам, заданиям реального ЕГЭ, ЦТ и РТ с подробными видео-объяснениями, задачам и всем материалам сайта кликнув здесь «Получить все материалы сайта»

учебник» / ГДЗ к § 08. Вещества молекулярного и немолекулярного строения

Подумай, ответь, выполни…

  1. Приведите примеры веществ с молекулярным и немолекулярным строением. Как эти вещества различаются по свойствам?
  2. Обсудите с соседом по парте вопрос, можно ли по физическим свойствам вещества определить, какое строение оно имеет — молекулярное или немолекулярное.
  3. Какие типы кристаллических решеток вам известны? Приведите примеры веществ, имеющих соответствующие кристаллические решетки. Составьте схему «Типы кристаллических решеток».
  4. Углекислый газ при нормальном давлении переходит в твердое состояние при температуре около -70 ºС, а речной песок (кремнезем) плавится при температуре около 1700 ºС. Какие выводы о строении этих веществ в твердом состоянии можно сделать?

 


 

1. Приведите примеры веществ с молекулярным и немолекулярным строением. Как эти вещества различаются по свойствам?

Вещества молекулярного строения: кислород, водород, азот, углекислый газ, вода, спирт, эфир, сера, белый фосфор.

Вещества немолекулярного строения: сульфид железа, поваренная соль, алюминий, медь, железо.

Вещества с молекулярным строением имеют низкие температуры плавления и кипения, часто летучи и имеют запах. При обычных условиях – это газы, жидкости или легкоплавкие твердые вещества.

Вещества с немолекулярным строением имеют высокие температуры плавления и кипения. Эти вещества твердые, нелетучие и не имеют запаха.

 

2. Обсудите с соседом по парте вопрос, можно ли по физическим свойствам вещества определить, какое строение оно имеет — молекулярное или немолекулярное.

По физическим свойствам вещества можно определить, какое строение оно имеет — молекулярное или немолекулярное.

Если вещество имеет низкую температуру плавления и кипения, летучее или имеет запах, при обычных условиях является газом, жидкостью или легкоплавким твердым веществом, то, как правило, это вещество имеет молекулярное строение.

Например, при обычных условиях аммиак — газ с резким запахом, спирт — летучая жидкость с характерным запахом, парафин и сахар — легкоплавкие твердые вещества. Следовательно, аммиак, спирт, парафин и сахар имеют молекулярное строение.

Если вещество имеет высокую температуру плавления и кипения, является твердым, нелетучим и не имеет запаха, то, как правило, это вещество имеет немолекулярное строение.

Например, поваренная соль, железо, графит — твердые тугоплавкие вещества, не имеющие запаха. Следовательно, поваренная соль, железо и графит имеют немолекулярное строение.

 

3. Какие типы кристаллических решеток вам известны? Приведите примеры веществ, имеющих соответствующие кристаллические решетки. Составьте схему «Типы кристаллических решеток».

 

4. Углекислый газ при нормальном давлении переходит в твердое состояние при температуре около -70 ºС, а речной песок (кремнезем) плавится при температуре около 1700 ºС. Какие выводы о строении этих веществ в твердом состоянии можно сделать?

Так как углекислый газ при обычных условиях находится в газообразном состоянии, а в твердое состояние переходит при низкой температуре, следовательно, в твердом состоянии он имеет молекулярное строение.

Так как оксид кремния при обычных условиях находится в твердом состоянии, а плавится при очень высокой температуре, следовательно, в твердом состоянии он имеет немолекулярное строение.

 


 

Тестовые задания

 

1. Для углекислого газа характерна кристаллическая решетка

1) молекулярная

2) атомная

3) ионная

 

Ответ: 1).

 

2. Установите соответствие между типом кристаллической решетки вещества и его свойствами.

1) молекулярная А. твердое, тугоплавкое, не растворяется в воде
2) ионная Б. хрупкое, легкоплавкое, не проводит электрический ток
3) атомная В. твердое, тугоплавкое, хорошо растворяется в воде

 

Ответ: 1) Б; 2) В; 3) А.

 

ГДЗ (ответы) Химия 8 класc Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г., 2019, §8 Вещества молекулярного и немолекулярного строения » Крутые решение для вас от GDZ.cool

ГДЗ (ответы) Химия 8 класc Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г., 2019, §8 Вещества молекулярного и немолекулярного строения

Красным цветом приводится решениеа фиолетовым ― объяснение. 

Задание 1 Приведите примеры веществ с молекулярным и немолекулярным строением. Как эти вещества различаются по свойствам.
С молекулярным строением: вода, кислород, азот, водород, углекислый газ, хлор, бром, аммиак.
С немолекулярным строением: алмаз, кремний, хлорид натрия, медь, алюминий. 
Вещества с молекулярным строением чаще всего газы и жидкости, имеют низкие температуры плавления, а с немолекулярным твердые вещества, имеют высокие температуры плавления.

Задание 2 Обсудите с соседом по парте вопрос, можно ли по физическим свойствам вещества определить, какое строение оно имеет – молекулярное или немолекулярное.
Можно определить. Вещества с молекулярным строением, в отличии от веществ с немолекулярным строением, чаще всего газы и жидкости, имеют более низкие температуры плавления и кипения.

Задание 3 Какие типы кристаллических решёток вам известны? Приведите примеры веществ, имеющих соответствующие кристаллические решётки. Составьте схему: типы кристаллических решёток.

Типы кристаллических
решёток:
АтомнаяМолекулярнаяИонная
В узлах решётки
располагаются:
атомымолекулыпротивоположно
заряженные ионы
Свойства веществ:твердые,
температура  плавления очень высокая, нелетучие
хрупкие,
температура  плавления низкая, летучие
твердые,
температура  плавления высокая, нелетучие
Примеры веществ:алмаз, графит, кремнийвода, кислород, иод, аммиакповарённая соль, сульфид железа 

Задание 4 Углекислый газ при нормальном давлении переходит в твёрдое состояние при температуре около -70°С, а речной песок (кремнезём) плавится при температуре около 1700°C. Какие выводы о строении этих веществ в твёрдом состоянии можно сделать?
Ответ: углекислый газ имеет молекулярное строение, а речной песок ― немолекулярное.

ТЕСТ 1
Для углекислого газа характерна кристаллическая решётка: 
1) молекулярная
2) атомная
3) ионная
Ответ: 1)

ТЕСТ 2
Установите соответствие между типом кристаллической решётки вещества и его свойствами.

кристаллической решётки вещества
Свойства
1) молекулярная
2) ионная
3) атомная
А. твёрдое, тугоплавкое, не растворяется в воде
Б. хрупкое, легкоплавкое, не проводит электрический ток
В. твёрдое, тугоплавкое, хорошо растворяется в воде
Ответ 1) ― Б, 2) ― В, 3) ― А

Задания а 6 (егэ 2012) вещества молекулярного и немолекулярного строения тип кристаллической решетки зависимость свойств веществ от их состава и строения

Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Тип кристаллической решетки. Зависимость свойств веществ от их состава и строения.

  • Немолекулярное строение имеет: 1) фуллерен, 2) алмаз, 3) вода, 4) углекислый газ.

  • Немолекулярное строение имеет: 1) железо, 2) водород, 3) кислород, 4) угарный газ.

  • Ионную кристаллическую решетку имеет: 1) бромид калия, 2) бром, 3) калий, 4) бромоводород.

  • Молекулярную кристаллическую решетку имеет: 1) литий, 2) оксид натрия, 3) красный фосфор, 4) белый фосфор.

  • Молекулярную кристаллическую решетку имеет: 1) фторид серы (VI), 2) сульфид натрия, 3) графит, 4) натрий.

  • Молекулярное строение имеет: 1) йод, 2) йодид калия, 3) гидроксид калия, 4) гидроксид алюминия.

  • Немолекулярное строение имеет: 1) йод, 2) хлорид йода, 3) гидроксид калия, 4) уксусная кислота.

  • Немолекулярное строение имеет: 1) цинк, 2) муравьиная кислота, 3) фтороводород, 4) кислород.

  • Молекулярную кристаллическую решетку в твердом состоянии имеет: 1) иодид бария, 2) гидроксид бария, 3) барий, 4) йод.

  • Ионную кристаллическую решетку имеет: 1) фтор, 2) фтороводород, 3) гидрид натрия, 4) хлорид титана(IV).

  • Молекулярное строение имеет: 1) оксид кремния(IV), 2) нитрат бария, 3) хлорид натрия, 4) оксид углерода(II).

  • Молекулярную кристаллическую решетку имеют: 1) H2O, CuO, 2) CuO, K2S, 3) K2S, H2SO4, 4) H2SO4, O2.

  • Атомную кристаллическую решетку имеет: 1) графит, 2) железо, 3) карбонат кальция, 4) азотная кислота.

  • Ионную кристаллическую решетку имеет: 1) фторид кальция, 2) оксид кремния, 3) алмаз, 4) медь.

  • Вещество, имеющее низкую температуру плавления, возгоняющееся при нагревании, неэлектропроводное – имеет кристаллическую решетку: 1) ионную, 2) металлическую, 3) молекулярную, 4) атомную.

  • Твердое, хрупкое вещество, расплав которого проводит электрический ток – имеет кристаллическую решетку: 1) ионную, 2) металлическую, 3) молекулярную, 4) атомную

  • Вещество, имеющее высокую электропроводность, ковкое, пластичное, имеет кристаллическую решетку: 1) ионную, 2) металлическую, 3) молекулярную, 4) атомную.

  • Тугоплавкое хрупкое вещество, нерастворимое в воде, имеет кристаллическую решетку: 1) ионную, 2) металлическую, 3) молекулярную, 4) атомную

  • Атом является структурной единицей в кристаллической решетке: 1) фосфорной кислоты, 2) белого фосфора, 3) кремнезема, 4) хлорида аммония.

  • В кристалле вольфрама частицы связаны металлической связью, поэтому вольфрам: 1) тугоплавок, 2) химически стоек, 3) электропроводен, 4) имеет высокую плотность.

  • Ионный тип кристаллической решетки характерен для: 1) кислот, 2) металлов, 3) неметаллов, 4) солей.

  • Из молекул состоит каждое из веществ: 1) поваренная соль и кислород, 2) оксид магния и хлороводород, 3) вода и хлор, 4) алмаз и сода.

  • Атомную кристаллическую решетку имеет каждое из веществ: 1) алмаз и графит, 2) аммиак и йод, 3) озон и кислород, 4) вода и мел.

  • Ионную кристаллическую решетку имеет каждое из веществ: 1) серная кислота и оксид углерода(IV), 2) гидроксид натрия и хлорид калия, 3) карбонат кальция и хлороводород, 4) оксид кремния и гидроксид меди(II).

  • Верны ли следующие суждения о типах кристаллических решеток веществ в твердом состоянии? А) этанол имеет ионную кристаллическую решетку. Б) йод имеет молекулярную кристаллическую решетку. 1) верно только А, 2) верно только Б, 3) верны оба суждения, 4) оба суждения неверны.

  • Какие свойства характерны для вещества с атомной кристаллической решеткой? 1) нерастворимость в воде и тугоплавкость, 2) хрупкость и легкоплавкость, 3) растворимость в воде и летучесть, 4) хорошая тепло- и электропроводность.

  • В твердых веществах молекулярного строения химическая связь: 1) ковалентная, 2) металлическая, 3) ионная, 4) водородная

  • В твердых веществах атомного строения химическая связь между атомами: 1) ковалентная, 2) металлическая, 3) ионная, 4) водородная

  • Некоторое вещество тугоплавко и не проводит электрический ток ни в твердом виде, ни в расплаве. Какую кристаллическую решетку оно имеет? 1) атомную, 2) молекулярную, 3) ионную, 4) металлическую.

  • Некоторое вещество тугоплавко и не проводит электрический ток в твердом виде, но его водный раствор обладает электрической проводимостью. Какую кристаллическую решетку имеет это вещество? 1) атомную, 2) молекулярную, 3) ионную, 4) металлическую.

  • Выберите вещество, которое в твердом состоянии имеет молекулярную кристаллическую решетку: 1) С (графит), 2) SiO2, 3) SiC,4) CO2

  • Выберите вещество, которое в твердом состоянии имеет атомную кристаллическую решетку: 1) SiO2, 2) SiH4, 3) O2, 4) Na.

  • Выберите вещество, которое в твердом состоянии имеет ионную кристаллическую решетку: 1) N2O5, 2) HNO3, 3) NH4NO3, 4) NH3.

  • Какое свойство характерно для веществ с атомной кристаллической решеткой? 1) высокая плотность, 2) тугоплавкость, 3) хорошая растворимость в воде, 4) электропроводность.

  • Один и тот же тип решетки в кристаллическом состоянии имеют: 1) хлор и водород, 2) вода и алюминий, 3) поваренная соль и серная кислота, 4) кремнезем и гидроксид натрия.

  • Запахом обладают вещества, имеющие кристаллическую решетку: 1) атомную, 2) молекулярную, 3) ионную, 4) металлическую.

  • Молекулярную решетку в кристаллическом состоянии имеет: 1) хлорид натрия, 2) хлор, 3) натрий, 4) гидроксид натрия.

  • Хлорид-ионы отсутствую в кристаллах: 1) хлорида натрия, 2) хлорида кальция, 3) хлорида фосфора(V), 4) хлорида цезия.

  • Ионную кристаллическую решетку в кристаллическом состоянии имеет: 1) бром, 2) вода, 3) серная кислота, 4) карбонат натрия.

  • Металлическую кристаллическую решетку имеет: 1) NH3, 2) AlCl3, 3) Cu3Al, 4) CuO.

  • Один и тот же тип решетки в кристаллическом состоянии имеют вода и: 1) железо, 2) углекислый газ, 3) поваренная соль, 4) алмаз.

  • Легкоплавкое кристаллическое вещество хорошо растворимо в этаноле и не проводит электрический ток ни в расплаве, ни в растворе. Какую кристаллическую решетку оно имеет? 1) атомную, 2) молекулярную, 3) ионную, 4) металлическую.

  • Тугоплавкое кристаллическое вещество нерастворимо в воде и хорошо проводит теплоту и электрический ток. Какую кристаллическую решетку оно имеет? 1) атомную, 2) молекулярную, 3) ионную, 4) металлическую.

  • Тот же тип кристаллической решетки, что и у сульфата натрия, имеет: 1) красный фосфор, 2) хлороводород, 3) серная кислота, 4) сульфид бария.

  • Тот же тип кристаллической решетки, что и у натрия, имеет: 1) хлорид цинка, 2) сульфат натрия, 3) карбонат натрия, 4) золото.

  • Тот же тип кристаллической решетки, что и у кислорода, имеет: 1) бром, 2) оксид натрия, 3) поваренная соль, 4) калий.

  • Один и тот же тип решетки в кристаллическом состоянии имеют: 1) фтор и фторид натрия, 2) хлор и хлорид калия, 3) хлорид натрия и гидроксид калия, 4) оксид хлора(VII) и гидроксид калия.

  • Оксид алюминия в кристаллическом состоянии имеет тот же тип кристаллической решетки, что и: 1) алюминий, 2) кислород, 3) фтор, 4) фторид алюминия.

  • Ванилин представляет собой легкоплавкое кристаллическое вещество с характерным запахом. Какой тип кристаллической решетки он имеет? 1) атомный, 2) молекулярный, 3) ионный, 4) металлический.

  • Атомную решетку в кристаллическом состоянии имеет: 1) азот, 2) аммиак, 3) карбид кремния, 4) платина.

  • Один и тот же тип решетки в кристаллическом состоянии имеют: 1) натрий и хлорид натрия, 2) сульфат бария и барий, 3) сульфат бария и серная кислота, 4) серная кислота и оксид серы(VI).

  • Для твердых веществ с молекулярной кристаллической решеткой характерна высокая: 1) плотность, 2) температура плавления, 3) летучесть, 4) энергия связи между молекулами.

  • Для твердых веществ с металлической кристаллической решеткой характерна низкая: 1) теплопроводность, 2) плотность, 3) летучесть при комнатной температуре, 4) электропроводность.

  • Для твердых веществ с ионной кристаллической решеткой характерна низкая: 1) температура плавления, 2) энергия связи между ионами, 3) растворимость в воде, 4) летучесть.

  • Твердое вещество с ионной кристаллической решеткой расплавили. Полученная жидкость: 1) имеет высокую плотность, 2) быстро испаряется, 3) неприятно пахнет, 4) проводит электрический ток.

  • Атомную кристаллическую решетку не образует: 1) кремний, 2) германий, 3) алюминий, 4) углерод.

  • Если вещество хорошо растворимо в воде, имеет высокую температуру плавления, не электропроводно, то его кристаллическая решетка: 1) молекулярная, 2) атомная, 3) ионная, 4) металлическая.

  • Понятие «молекула» не применимо по отношению к структурной единице вещества: 1) хлороформа, 2) кислорода, 3) алмаза, 4) озона.

  • Атомная кристаллическая решетка характерна для: 1) алюминия и карбида алюминия, 2) серы и йода, 3) оксида кремния и хлорида натрия, 4) алмаза и бора.

  • Вещества, имеющие молекулярную кристаллическую решетку, как правило: 1) тугоплавкие и хорошо растворимые в воде, 2) легкоплавкие и летучие, 3) твердые и электропроводные, 4) теплопроводные и пластичные.

  • Вещество — немолекулярное строение — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

    Вещество — немолекулярное строение

    Cтраница 1

    Вещества немолекулярного строения не обладают строго постоянным составом. Их состав зависит от условий получения.  [1]

    Если вещество немолекулярного строения состоит из атомов нескольких элементов, например S1O2, его формульной единицей является условная частица, состоящая из 1-го атома Si и 2 — х атомов О. Она является условной потому, что в кристалле оксида кремния ( IV) нет отдельных молекул SiC, он состоит из множества атомов кремния и кислорода. Но весь кристалл можно условно разделить на группы атомов, в каждой из которых будет один атом Si и два атома О.  [2]

    Если вещество немолекулярного строения образует ионную кристаллическую решетку, например NaCl, его формульной единицей будет условная частица, состоящая из одного иона Na и одного иона СГ. Но весь этот кристалл можно условно разделить на группы ионов, в каждой из которых будет 1 ион Na и 1 ион СГ. Следовательно, формульной единицей хлорида натрия является условная частица, состоящая из 2 — х ионов.  [3]

    К веществам немолекулярного строения относятся вещества, в узлах кристаллических решеток которых находятся атомы или ионы. Эти вещества, как правило, обладают высокими температурами плавления и при комнатной температуре всегда находятся в твердом агрегатном состоянии.  [4]

    Чем отличаются вещества молекулярного и немолекулярного строения.  [5]

    Чем отличаются вещества молекулярного строения от веществ немолекулярного строения. Какие физические свойства присущи тем и другим веществам. Какие частицы являются их структурными единицами.  [6]

    По современным представлениям, из молекул состоят лишь вещества молекулярного строения, например неметаллы ( кроме углерода и кремния), двуокись углерода, вода, органические соединения с неионной связью. Вещества немолекулярного строения состоят не из молекул, а из других частиц ( атомов, ионов), химически связанных друг с другом, например алмаз, кремний, многие оксиды, сульфиды металлов, большинство солей. У первых веществ химическая связь между молекулами менее прочная, чем между атомами. Поэтому они имеют сравнительно низкие температуры плавления и кипения. У вторых веществ — с немолекулярным строением — химическая связь между частицами весьма прочная. Поэтому они имеют высокие температуры плавления и кипения.  [7]

    Однако не всякое вещество состоит из молекул. Известно много веществ немолекулярного строения. Это благородные газы, а также вещества, образующие ионные или атомные кристаллы.  [8]

    Однако не всякое вещество состоит из молекул. Известно много веществ немолекулярного строения, к ним относятся ионные или атомные кристаллы.  [9]

    Вместо него используется понятие формульная единица вещества. Химические формулы веществ немолекулярного строения являются простейшими, или эмпирическими, формулами.  [10]

    В настоящее время известно около 23 миллионов веществ. Все они делятся на 2 группы — вещества молекулярного и немолекулярного строения.  [11]

    Большинство твердых веществ имеет кристаллические решетки, образованные атомами или ионами; выделить отдельные молекулы в таких структурах нельзя, Такие вещества обычно называют веществами с немолекулярной структурой. Немолекулярную структуру имеют многие вещества в кристаллическом состоянии, например металлы, кислоты, гидроксиды, соли. Для веществ немолекулярного строения принято записывать формулу условной молекулы, которая показывает соотношение числа атомов в веществе.  [13]

    Правда, необходимо отметить, что все представления этой теории были сформулированы по отношению к веществам, имеющим молекулярное строение. В настоящее время известно громадное число веществ немолекулярного строения. Это, как правило, твердые тугоплавкие неорганические вещества, к которым законы стехиометрии либо вообще неприменимы, либо применимы только как существенно приближенные. Но все-таки подавляющее большинство известных человечеству веществ состоит из молекул, и поэтому законы стехиометрии до сих пор сохраняют свое значение.  [14]

    Закон постоянства состава веществ был открыт и сформулирован на основе представлений, что все вещества состоят из молекул. Дальнейшие исследования показали, что лишь около 5 % из всех неорганических веществ имеет молекулярное строение. И только для них справедлив закон постоянства состава. Вещества немолекулярного строения этому закону в полной мере не подчиняются. Так, например, на основе точных современных исследований установлено, что состав сульфида железа ( II) следует изображать не формулой FeS, а формулой Fei S, где х меняет значения от 0 до 0 05, а оксида титана ( IV) — не формулой TiCb, a формулой TiOli9 2 o Но эти отклонения незначительны, и при составлении химических формул мы их учитывать не будем.  [15]

    Страницы:      1    2

    Исследование лаборатории Беркли выявляет молекулярную структуру воды на золотых электродах

    Схема электрохимической ячейки — мембрана из нитрида кремния (Si3N4) отделяет жидкость от вакуумной области источника рентгеновского излучения; Тонкопленочный золотой электрод толщиной 20 нм нанесен на жидкую сторону мембраны. Обнаружение поглощения рентгеновских лучей осуществляется с помощью флуоресцентного излучения на стороне вакуума или электронного излучения на золотом электроде.

    Когда твердый материал погружается в жидкость, жидкость непосредственно у его поверхности отличается от жидкости в объеме на молекулярном уровне.Этот межфазный слой имеет решающее значение для нашего понимания разнообразного набора явлений от биологии до материаловедения. Когда твердая поверхность заряжается, как электрод в работающей батарее, она может вызывать дальнейшие изменения межфазной жидкости. Однако выяснение молекулярной структуры на границе твердое тело-жидкость в этих условиях оказалось трудным.

    Теперь, впервые исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (DOE) (Лаборатория Беркли) наблюдали молекулярную структуру жидкой воды на поверхности золота при различных условиях зарядки.

    Микель Салмерон, старший научный сотрудник отделения материаловедения лаборатории Беркли и профессор кафедры материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли, объясняет это в контексте батареи. «На поверхности электрода накопление электрического заряда, вызванное разностью потенциалов (или напряжением), создает сильное электрическое поле, которое вызывает молекулярные перестройки в электролите рядом с электродом».

    Исследователи лаборатории Беркли разработали метод, позволяющий не только смотреть на молекулы рядом с поверхностью электрода, но и определять изменения их расположения в зависимости от напряжения.Используя золото в качестве химически инертного электрода и слегка соленую воду в качестве электролита, Салмерон и его коллеги использовали новый способ рентгеновской абсорбционной спектроскопии (XAS), чтобы исследовать границу раздела и показать, как расположены межфазные молекулы.

    Излучающие фотоны и электроны

    Сам по себе

    XAS не новинка. В этом процессе материал поглощает рентгеновские фотоны с определенной скоростью в зависимости от энергии фотонов. График зависимости интенсивности поглощения от энергии называется спектром, который, как отпечаток пальца, характерен для данной молекулы материала и его химического состояния.Наши глаза распознают многие материалы по их характерным цветам, которые связаны с их спектрами поглощения видимого света. Рентгеновские фотоны, использованные в этом исследовании, имеют энергию, которая примерно в 250 раз выше, чем у видимого света, и генерируются в усовершенствованном источнике света (ALS) лаборатории Беркли.

    Типичные измерения XAS проводятся в условиях вакуума, поскольку рентгеновские лучи легко поглощаются веществом, даже молекулами азота в воздухе. Но жидкости быстро испаряются в вакууме.Используя очень тонкое (100 нм или десятые доли микрометра) прозрачное для рентгеновских лучей окно с тонким покрытием из золота (20 нм) на герметичном держателе жидких образцов, команда лаборатории Беркли смогла экспонировать молекулы воды в жидкость для рентгеновских лучей и собирают их спектры.

    (Слева направо) Микель Салмерон, Цзинхуа Го, Дэвид Прендергаст, Ливен Ван, Ченхао Ву, Тод Паскаль и Хуан-Хесус Веласко-Велес (Фото Роя Кальчмидта)

    Поглощая рентгеновский фотон, возбужденная молекула воды может извергать (испускать) либо заряженные частицы (электроны), либо свет (фотоны).Количество испускаемых фотонов или флуоресценции является одним из индикаторов того, сколько рентгеновских фотонов было поглощено. Однако флуоресцентное рентгеновское излучение может быть обнаружено от молекул, от молекул на поверхности золота до молекул, находящихся глубоко (в микрометрах) внутри жидкости, вдали от влияния поверхности золота, и они доминируют в измеряемом спектре.

    «На самом деле нас интересует только наноразмерная межфазная область, и, глядя на сигнал флуоресцентного фотона, мы не можем определить разницу между поверхностью раздела и внутренними молекулами электролита», — говорит Салмерон.

    Таким образом, задача состояла в том, чтобы собрать сигнал, в котором преобладала бы межфазная область. Команда достигла этого, измерив эмиссию электронов, потому что электроны, испускаемые молекулами воды, возбужденными рентгеновскими лучами, проходят через материю только нанометровые расстояния. Электроны, попадающие на поверхность золотого электрода, можно обнаружить как электрический ток, проходящий через прикрепленный к нему провод. Это позволяет избежать путаницы с сигналами внутреннего электролита, поскольку электроны, испускаемые внутренними молекулами, не проходят достаточно далеко, чтобы их можно было обнаружить.

    Есть дополнительная проблема, которая возникает при изучении жидкостей, контактирующих с рабочими электродами, потому что они проводят постоянный ток, как в батареях и других электрохимических системах. Хотя испускаемые соседними молекулами электроны действительно можно обнаружить, этот вклад в ток затмевается нормальным «фарадеевским» током батареи при конечных напряжениях. При измерении тока на электроде очень важно определить, какая часть связана с рентгеновскими лучами, а какая с обычным током батареи.

    Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали импульсные рентгеновские лучи, поступающие от синхротрона, с известной частотой. Вклад тока, возникающий в результате эмиссии электронов межфазными молекулами, таким образом, также является импульсным, и инструменты могут отделить этот модулированный по наноамперному току ток от основного тока Фарадея.

    В результате этих экспериментов получены кривые зависимости поглощения от энергии рентгеновских лучей (спектры), которые отражают, как молекулы воды в пределах нанометров от поверхности золота поглощают рентгеновские лучи.Чтобы преобразовать эту информацию в молекулярную структуру, необходим сложный теоретический метод анализа.

    От спектров к структурам

    Дэвид Прендергаст, научный сотрудник Молекулярной литейной и исследователь Объединенного центра исследований накопления энергии (JCESR), разработал вычислительные методы, которые позволяют его команде выполнить этот перевод.

    Используя суперкомпьютер в Национальном вычислительном центре энергетических исследований (NERSC) лаборатории Беркли, он провел большое молекулярно-динамическое моделирование границы раздела золото-вода, а затем предсказал спектры поглощения рентгеновских лучей репрезентативных структур на основе этого моделирования.

    «Это расчеты из первых принципов», — поясняет Прендергаст. «Мы не диктуем химию: мы просто выбираем, какие атомные элементы присутствуют и сколько атомов. Вот и все. Химия — это результат расчетов ».

    Berkeley Lab’s Advanced Light Source — это главное предприятие Министерства энергетики США для рентгеновской спектроскопии. (Фото Роя Кальчмидта)

    Оказывается, что для нейтральной поверхности золота значительное количество молекул воды (H 2 O) рядом с поверхностью золота ориентировано атомами водорода (H), направленными в сторону золота.Молекулы воды связаны вместе так называемыми водородными связями, которые ориентируют слегка положительно заряженные атомы H в каждой молекуле по направлению к слегка отрицательно заряженным атомам кислорода (O) соседних молекул. Эта сеть водородных связей — это то, что удерживает молекулы воды вместе, чтобы создать жидкость в условиях температуры и давления, которые мы считаем комфортными, как люди. Возможно, удивительно, что инертная поверхность золота может побудить значительное количество молекул воды не связываться водородом друг с другом, а вместо этого связываться с золотом.Это число увеличивается, когда золото заряжено отрицательно и, следовательно, притягивает более положительные атомы Н. Кроме того, положительно заряженные ионы золота заставляют молекулы воды ориентировать свои атомы H подальше от золота, что усиливает сеть водородных связей межфазной жидкости.

    «Это главное, что мы знаем о поверхности золотого электрода по спектрам поглощения рентгеновских лучей: сколько молекул воды наклонено в ту или иную сторону, и разорваны ли их водородные связи», — заключает Салмерон.«Вода рядом с электродом имеет другую молекулярную структуру, чем в отсутствие электрода».

    Исключительно чувствительный e

    «Есть пара очень важных тонких вещей, — отмечает Прендергаст. Во-первых, форма спектров поглощения изменяется в зависимости от изменения напряжения. Поскольку измеренные спектры согласуются с расчетами, можно сделать выводы о молекулярной структуре границы раздела жидкости в зависимости от напряжения.Во-вторых, в расчетах изменение структуры воды ограничивается первыми двумя молекулярными слоями над поверхностью, и эти два слоя охватывают всего около 1 нанометра. Наблюдение любой разницы в экспериментальных спектрах при изменении напряжения означает, что измерения чувствительны к более короткой шкале длины, чем считалось возможным.

    «Мы думали, что чувствительность составляет десятки нанометров, но оказалось, что она субнанометровая», — говорит Прендергаст. «Это потрясающе!»

    Это исследование, о котором сообщается в Science в статье под названием «Структура межфазной воды на золотых электродах, изученная с помощью рентгеновской абсорбционной спектроскопии», знаменует собой первый раз, когда научное сообщество продемонстрировало такую ​​высокую чувствительность в in -ситу в условиях рабочего электрода.

    Полный список авторов статьи включает Хуана-Хесуса Веласко-Велеса, Ченхао Ву, Тода А. Паскаль, Ливен Ф. Ван, Цзинхуа Го, Дэвида Прендергаста и Микеля Салмерона.

    Это исследование было поддержано главным образом Управлением науки Министерства энергетики США. ALS, Molecular Foundry и NERSC — все это Управление науки Министерства энергетики США. JCESR — это центр энергетических инноваций, финансируемый Управлением науки Министерства энергетики США.

    ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

    Для получения дополнительной информации о Molecular Foundry перейдите сюда

    Для получения дополнительной информации о ALS перейдите сюда

    Для получения дополнительной информации о JCESR перейдите сюда

    Для получения дополнительной информации о NERSC перейдите сюда

    Более подробную информацию об исследованиях Микеля Сальмерона можно найти здесь

    Более подробную информацию об исследованиях Дэвида Прендергаста можно найти здесь

    # #

    Национальная лаборатория Лоуренса Беркли решает самые насущные научные проблемы мира, продвигая устойчивую энергетику, защищая здоровье человека, создавая новые материалы и раскрывая происхождение и судьбу Вселенной.Научный опыт Berkeley Lab был основан в 1931 году и отмечен 13 Нобелевскими премиями. Калифорнийский университет управляет лабораторией Беркли в Управлении науки Министерства энергетики США. Для получения дополнительной информации посетите www.lbl.gov.

    Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из наиболее актуальных проблем современности. Для получения дополнительной информации посетите веб-сайт Office of Science по адресу science.energy.gov/.

    Микроскопическая структура воды при повышенных давлениях и температурах

    Abstract

    Мы сообщаем о микроскопической структуре воды в суб- и сверхкритических условиях, изученной с помощью рентгеновской спектроскопии комбинационного рассеяния света, ab initio моделирования молекулярной динамики и теории функционала плотности. Наблюдаются систематические изменения в спектрах комбинационного рассеяния рентгеновских лучей с ростом давления и температуры. Во всем исследуемом термодинамическом диапазоне экспериментальные спектры можно интерпретировать с помощью структурной модели, полученной в результате моделирования молекулярной динамики.Пространственный статистический анализ с использованием K-функции Рипли показывает, что эта модель однородна в нанометровом масштабе. Согласно моделированию, искажения сетки водородных связей резко увеличиваются, когда температура и давление повышаются до сверхкритического режима. В частности, среднее количество водородных связей на молекулу уменьшается до ≈0,6 при 600 ° C и p = 134 МПа.

    Вода — одно из самых интересных и спорно обсуждаемых веществ в исследованиях конденсированных сред (1).Было проведено несколько экспериментальных исследований для расшифровки локальной структуры воды при различных термодинамических условиях. Однако до сих пор нет единого мнения о том, как описать микроскопическую структуру этой неуловимой жидкости (2⇓ – 4). Наиболее известными методами исследования являются определение узловых корреляционных функций с помощью нейтронной или рентгеновской дифракции (5–8), анализ флуктуаций плотности с помощью малоуглового рентгеновского рассеяния и нейтронного рассеяния (9–11). , а также исследование локального окружения кислорода спектроскопическими методами (2, 3, 10, 12, 13), дающее противоречивые интерпретации локальной атомной структуры воды.Это привело к интенсивному обсуждению того, можно ли описать микроскопическую структуру окружающей воды как жидкость с однородной плотностью (например, ссылки 4, 11, 14) или как неоднородную смесь двух типов структурных состояний с водородом. связь (Н-связь) искаженная структура, окружающая менее плотные, тетраэдрически подобные скоординированные участки (например, ссылки 7, 10, 12). В этой статье мы представляем важную информацию, полученную в результате исследования изменений структуры воды в условиях высокого давления и температуры вплоть до сверхкритического состояния.

    Из-за экспериментальных трудностей вода в сверхкритических условиях до сих пор редко была предметом подробных спектроскопических исследований in situ (12, 15). Однако режим давления ( p ) и температуры ( T ) сверхкритической воды особенно интересен для геофизиков, поскольку вода играет ключевую роль в тепло- и массообмене, а также в процессах фракционирования элементов в литосфере Земли, таких как вулканизм и образование рудных месторождений (16, 17).Геохимические процессы и реакции, такие как образование нефти (18) и даже вклад в происхождение жизни (19), были связаны со свойствами воды при высоких температурах и высоких давлениях. Полярный характер молекулы H 2 O и склонность к диссоциации делают ее более мощным растворителем, чем другие летучие вещества. Это также используется в химической обработке, где сверхкритическая вода используется в качестве реакционной среды для химического синтеза и синтеза материалов, уничтожения отходов, переработки пластмасс и обработки биомассы (20).Эти растворяющие свойства H 2 O зависят не только от плотности и диссоциации, но и от структурных параметров, которые плохо изучены, особенно в сверхкритических условиях, преобладающих в верхней мантии и коре Земли.

    Посторино и др. Сообщили о большой степени беспорядка с существенно разорванной сеткой водородных связей в сверхкритической воде. (9) с использованием данных по рассеянию нейтронов. Хотя этот вывод был позже смягчен, недавно полученные корреляционные функции пар сайт-сайт (ПЦР) на основе старых данных по-прежнему указывают на сильно искаженное расположение молекул воды с значительно более низкой степенью Н-связывания по сравнению с водой в условиях окружающей среды (5, 21). ).Оптические спектры комбинационного рассеяния воды показывают, что значительная часть сетевой воды все еще присутствует даже при высоких температурах, давлениях и концентрациях растворенных веществ (22–24). Аналогичным образом, исследования ЯМР воды до 600 ° C и 400 бар предполагают значительное количество водородных связей вплоть до самых высоких исследованных температур и давлений (25). Sit et al. (15) использовали рассеяние Комптона для измерения связывания и координации в воде до сверхкритических условий и обнаружили большое увеличение количества мономеров воды при переходе в сверхкритический режим, но они также сообщают об оставшемся количестве более высоких координаций, таких как димеры и тримеры.На основании измерений рентгеновской рамановской спектроскопии (XRS) Wernet et al. (12) предположили, что сверхкритическая вода состоит из небольших участков с водородными связями, окруженных менее плотными областями, не связанными с водородом, в соответствии с локальными неоднородностями плотности, обнаруженными малоугловым рассеянием нейтронов (26), но сообщили об относительно небольшой доле не-водородных связей. Связанные виды H 2 O. Однако Кларк и др. (27) и Sedlmeier et al. (28) показали, что интерпретация данных малоуглового рассеяния непроста.Они не обнаружили сильной пространственной корреляции между структурой и флуктуациями плотности даже в окружающей воде и подтвердили эти утверждения, воспроизведя все особенности измеренных спектров малоуглового рассеяния с использованием моделей tip4p / 2005 и расширенных простых точечных зарядов соответственно. С другой стороны, анализ моделей воды tip4p / 2005 с использованием параметров тетраэдрического порядка указывает на тенденцию к кластеризации областей с низкой и высокой тетраэдрическостью (29, 30). Сообщалось также о неоднородности, например, с точки зрения зарождения небольших молекулярных кластеров (31) или участков с тетраэдрической координацией, соединенных менее упорядоченными сетками, образующих гелеобразную сетку, которая сохраняется в воде под давлением при высокой температуре до T = 473 К и ρ = 0.88 г / см 3 (32). Однако появление этих структурных видов может быть временным (4). Более искаженные H-связанные сети были обнаружены при использовании новых функционалов Ван-дер-Ваальса (33).

    В данной работе мы используем XRS в качестве зонда местной структуры воды в большом диапазоне температур и давлений. Экспериментальные результаты сравниваются со спектрами, рассчитанными из неэмпирических расчетов молекулярной динамики (МД). Эти спектры хорошо описывают изменение экспериментальных спектров с температурой и давлением в суб- и сверхкритических режимах.При таком сходстве экспериментальных данных и результатов моделирования более подробная информация о микроскопической локальной структуре воды извлекается из лежащих в основе МД моделирования.

    В структурах ab initio MD молекулы воды в условиях окружающей среды имеют в среднем почти тетраэдрическую координацию со значительным числом молекул воды, имеющих пять ближайших кислородных соседей. При повышении температуры и давления вдоль равновесия жидкость-пар расширенная сеть с водородными связями сильно искажается и разрушается.Однако частицы с водородными связями обнаруживаются даже при самых высоких исследованных температурах и давлениях. Из подробного анализа модели МД мы обнаруживаем, что спектры наиболее чувствительны к непосредственному локальному окружению (то есть к количеству образованных водородных связей и ближайших кислородных соседей), но даже отражают влияние промежуточного порядка. На основе пространственного статистического анализа мы находим моделирование МД для прогнозирования структур, которые являются однородными в масштабе длины ящиков моделирования.Экспериментальные спектры хорошо согласуются со спектрами, полученными в результате моделирования с использованием теории функционала плотности (DFT).

    Результаты и обсуждение

    Спектры рентгеновского излучения K-края кислорода были измерены вдоль кривой давления пара и в сверхкритическом режиме для условий, указанных на фазовой диаграмме H 2 O на рис. были получены с помощью гидротермальной ячейки с алмазной наковальней (HDAC; рис. 1, , вставка ). Калибровка температуры была достигнута с использованием термопар типа K, а давление / плотность было получено путем измерения температуры гомогенизации жидкость-пар с использованием визуального наблюдения пузырька пара в объеме образца, как показано на рис.1 ( Нижний ) (подробности приведены в Материалы и методы ).

    Рис. 1.

    Фазовая диаграмма воды показывает многочисленные фазы льда при высоких давлениях и низких температурах, а также интересующую область для данного исследования (т.е. высокие температуры и высокие давления). Спектры K-края XRS кислорода записаны при значениях давления и температуры, обозначенных цветными звездочками. ( Врезка ) Схематический чертеж HDAC. ( Нижний ) Фотографии образца воды в HDAC при различных температурах и давлениях показаны для демонстрации визуального контроля образца, примером которого является измерение температуры гомогенизации пузырька пара и жидкости, которое используется для определения плотность и давление.

    Измеренные рентгеновские спектры K-края кислорода показаны на рис. 2. Спектры, снятые вдоль кривой давления пара, представлены на рис. 2 A . Спектр воды в окружающих условиях хорошо согласуется с другими спектрами K-края кислорода, о которых сообщалось ранее (например, ссылка 34), показывая выраженное предкраевое плечо при 535 эВ потерь энергии (характеристика A на рис. 2), доминирующее основной край при 538 эВ (элемент B на рис. 2) и пост-край (элемент C на рис. 2) со значительным спектральным весом вплоть до потерь энергии 546 эВ.С увеличением давления и температуры спектральный вес переносится из посткраевой области в пред- и основной краевой режимы. Более того, смещение положения потери энергии как переднего, так и основного края в сторону положения антисвязывающих ОН-орбиталей 4a 1 и 2b 1 орбиталей свободной молекулы воды при 534 и 536 эВ, соответственно. , можно наблюдать. Интерпретация K-краевых спектров поглощения рентгеновских лучей (XAS) или XRS воды не является однозначной и однозначной (3, 35–37).По мере увеличения температуры и давления вдоль кривой давления пара можно наблюдать постепенный переход от водоподобного спектра к более газофазному спектру. Однако остается четкое различие между спектром газовой фазы и экспериментальными данными в сверхкритических условиях.

    Рис. 2.

    ( A ) Спектры кислородного K-края воды при различных температурах и давлениях вдоль кривой сосуществования жидкость-газ. Передняя, ​​основная и последующая кромка обозначены буквами A, B и C соответственно.( B ) Расчетные спектры для тех же температур и плотностей, что и в A , а также спектр мономера воды. Плотности указаны на рисунке, а цветовой код соответствует цвету соответствующего спектра. ( C ) Влияние давления на спектры, измеренные при T = 400 ° C по сравнению со спектром окружающей воды. ( D ) Расчетные спектры для температур и плотностей, соответствующие экспериментам, представленным в C .( E ) Сравнение интегрированных посткраевых интенсивностей потерь энергии между 537 и 544 эВ, полученных из эксперимента (эксп.) И теории (тео.). Здесь «высокая» относится к измерениям при аналогичной плотности, но более высокой температуре, чем указано в A . ( F ) Положение потерь энергии на предварительных краях для различных плотностей, определенных из теории и эксперимента. отн., произв.

    Рис. 2 C показывает влияние давления и, следовательно, плотности на K-краевой спектр воды при T = 400 ° C.Четкое падение интенсивности в предкраевом режиме видно в спектре, измеренном при 371 МПа (0,86 г / см 3 ) по сравнению со спектром, измеренным при 48 МПа (0,54 г / см 3 ). Спектр при температуре и давлении окружающей среды также показан для справки. Структурная природа спектральных изменений, подобных наблюдаемым здесь, широко обсуждалась в литературе. Например, недавно были рассмотрены роль искаженных или разорванных водородных связей и влияние молекул, не связанных водородными связями, в жидких полиморфах воды и льда (36).В тех случаях было показано, что разорванные или сильно искаженные Н-связи увеличивают спектральный вес в предкраевых и несвязанных Н-связями молекулах, приближающихся к первой координационной оболочке, как было показано, увеличивают интенсивность в области главного края. Pylkkänen et al. (38) также указали, что соседняя молекулярная фракция, не связанная водородной связью, оказывает существенное влияние на форму спектров в ледяных фазах высокого давления. Кроме того, было показано, что порядок сетки водородных связей влияет на спектры в жидкой воде и фазах льда (39, 40).Эти наблюдения проясняют трудность отнесения изменений определенных характеристик в спектрах K-края кислорода к конкретным структурным изменениям, связанным, например, с разрывом Н-связи, изменениями плотности или отдельными структурными мотивами.

    Чтобы получить более глубокое представление об интерпретации экспериментальных спектров, мы выполнили DFT-расчеты из ab initio снимков МД-моделирования. Мы рассчитали спектры из геометрий, непосредственно извлеченных из снимков МД, без каких-либо ограничений на молекулярные конфигурации, таких как включение или исключение структур, зависящих от конкретной статистики водородных связей (подробности представлены в «Материалы и методы» ).Расчетные спектры для значений температуры и давления, аналогичные экспериментальным параметрам, показаны на рис. 2 B и D . Все рассчитанные спектры были сдвинуты по шкале потерь энергии таким образом, чтобы основная граница B экспериментального и расчетного спектров совпадала. Хотя пред- и посткраевые характеристики расчетов занижены для спектров с самой высокой плотностью (0,99 и 0,86 г / см 3 ), общее согласие между экспериментальными данными и расчетными спектрами хорошее.Это справедливо, особенно если мы рассмотрим систематическую эволюцию экспериментальных и теоретических спектров в зависимости от температуры и давления. Для окружающей воды расхождения между экспериментом и теорией аналогичны тому, о чем сообщалось ранее (42).

    Для количественного сравнения экспериментального и расчетного спектров были определены интеграл по заднему краю и положение потерь энергии на переднем крае, которые представлены на рис. 2 E и F , соответственно.По сравнению со значениями, полученными из экспериментальных данных, интегральные посткраевые интенсивности смоделированных спектров демонстрируют ту же зависимость от плотности воды с небольшим постоянным смещением, что связано с систематическим занижением посткраевой интенсивности на теория. Это вызвано теоретическим подходом к расчету спектров. По предположению Chen et al. Согласно (36), не зависящий от энергии обменный потенциал в расчетах методом DFT слишком велик вблизи порога ионизации и, таким образом, приводит к слишком узкой посткраевой особенности.Почти количественное согласие между экспериментальными XAS- и XRS-спектрами окружающей воды и льда было недавно достигнуто за счет использования математического моделирования ab initio с интегралами по траекториям в сочетании с подходом, основанным на уравнении Бете – Солпитера (BSE), для расчета спектра (43). В частности, BSE выигрывает от учета электронно-дырочного взаимодействия, что обеспечивает лучшее представление предкраевой особенности в рассчитанных спектрах (36, 43). Однако вычислительная стоимость таких методов не позволяет использовать этот подход в данном случае.Использование подхода многократного рассеяния в реальном пространстве для расчета K-края кислорода в различных фазах льда приводит к появлению пост-кромочной особенности, которая очень похожа на экспериментальные результаты, но не может воспроизвести пред- и ближнюю кромку (44). В наших результатах хорошее количественное согласие достигается при сравнении положения потери энергии переднего края для всех условий p , T (Рис. 2 F ). Следует отметить, что как наши теоретические, так и экспериментальные спектры при T = 400 ° C и p = 48 МПа, что соответствует ρ = 0.54 г / см 3 , отличаются от описанных Wernet et al. (12) для аналогичных условий. Однако общее систематическое согласие между теоретическими и экспериментальными спектрами, учитывая как общие спектральные особенности, так и их зависимость от термодинамических условий, дает уверенность в качестве наших данных. Теоретические результаты описывают как общие экспериментальные спектры, так и их систематические спектральные изменения с изменяющимися термодинамическими условиями в очень высокой степени, особенно в беспрецедентном сверхкритическом режиме.Это дает уверенность в том, что лежащая в основе структурная модель теперь может быть использована для извлечения подробной информации о локальной атомной структуре воды.

    ПКФ O-H, H-H и O-O, извлеченные из траекторий MD, показаны на рис. 3 A C соответственно. Для каждого набора PCF PCF при комнатной температуре (RT) сравнивается непосредственно с PCF, взятыми из Soper (45), и показывает хорошее соответствие с ними. ПКФ, извлеченные из моделирования при более высоких температуре и давлении, также следуют тенденциям, описанным Сопером (5) и Икедой и др.(46), но их нельзя напрямую сравнивать с представленными результатами, поскольку точные условия температуры и давления различаются. При увеличении p и T второй пик в O-O PCF теряет интенсивность и исчезает в сверхкритических условиях. Первые межмолекулярные пики в корреляционной функции O-H и H-H также ослабевают с увеличением p и T . Подобное поведение недавно наблюдалось в МД-моделировании воды вдоль различных изохор с использованием модели Мацуока-Клементи-Йошимин с неаддитивной моделью (47).Эти результаты были интерпретированы как переход тетраэдрической структуры при температуре окружающей среды к более неупорядоченной жидкости средней плотности при повышенных температурах. Тем не менее было обнаружено, что простая водородная связь между двумя молекулами воды сохраняется даже за пределами критической точки.

    Рис. 3. ПКФ

    ( Верхний, A C ) O-H, H-H и O-O соответственно, полученные из траекторий MD и в сравнении с двумя экспериментальными результатами исследования Сопера (45). ( Нижний , D и E ) Число Н-связей на молекулу и число ближайших соседей как функция плотности, извлеченная из снимков МД моделирования.( Нижний ) Термин «высокий T» относится к значениям, определенным для условий равной плотности, но более высоких температур, как указано в другой части рисунка ( Верхний ). отн., произв.

    В качестве меры локальной структуры в воде среднее количество водородных связей на молекулу ( n HB ) и ближайших соседних атомов кислорода ( n OO ) было рассчитано по снимкам МД. Таким образом, n HB был определен с использованием геометрических критериев Marti et al.(48), а n OO — это просто количество атомов кислорода в сфере с радиусом 3,6 Å от центрального атома кислорода. Результаты представлены на рис. 3 D и E . И n HB , и n OO увеличиваются с плотностью и незначительно различаются для одинаковой плотности, но разной температуры [т.е. 0,45 г / см 3 (370 ° C и 600 ° C) и 0,86 г / см 3 (200 ° C и 400 ° C)]. Для плотности 0.86 г / см 3 , n HB оказался выше порога перколяции (31) для обеих исследованных температур, что свидетельствует о сильно искаженной тетраэдрической перколяционной сетке с водородными связями. Это отражается в экспериментальных спектрах схожей структурой переднего и основного края в обоих измерениях при этой плотности. Среднее число ближайших соседей n OO ≈ 5, а также увеличение n OO с увеличением плотности находится в хорошем соответствии с данными рентгеновской дифракции (49, 50) и других МД. данные моделирования (36, 47).Среднее количество водородных связей как функция плотности также соответствует ранее опубликованным экспериментальным и теоретическим значениям (48).

    Более подробный анализ локальных расположений вокруг рассеивающих атомов кислорода достигается путем классификации геометрии МД, используемой для расчетов спектров рентгеновского излучения для суб- и сверхкритических условий, по отношению к n HB и n ОО . Полученные гистограммы для каждого p и T показаны на рис.4. Для окружающей воды распределения n HB и n OO явно имеют максимум при четырех Н-связях на молекулу воды и пяти ближайших кислородных соседях (обозначенных h5O5). Во всех других государственных точках оба распределения намного шире, что указывает на более искаженные местные договоренности. Хотя среднее количество молекул с водородными связями быстро уменьшается с повышением температуры, частицы с водородными связями могут быть обнаружены даже при самой высокой исследуемой температуре, когда преобладает простая водородная связь между двумя молекулами воды (одна водородная связь).Тот факт, что при повышенных температурах среднее количество ближайших соседей превышает среднее количество водородных связей на молекулу, можно интерпретировать как признак более газообразного поведения при этих температурах и плотностях, соответствующих рентгеновскому и нейтронному. данные и моделирование MD.

    Рис. 4.

    ( Нижний левый угол ) Распределение количества Н-связей центральной молекулы воды в кластерах, извлеченных из различных снимков МД, для всех условий давления и температуры, оцененных по геометрическим критериям (подробности приведены в основном текст).( Нижний центр ) То же, за исключением количества кислородных соседей в пределах 3,6 Å от центрального атома кислорода. ( Нижний правый угол ) Средние значения по спектрам XRS, рассчитанным для снимков, напоминающих наиболее часто встречающееся подмножество конфигураций из гистограмм ( Нижний левый угол ), а также репрезентативные графики этих мотивов в виде палочек и шариков. отн., произв. ( Верхний ) Сравнение рассчитанных рентгеновских спектров сходных локальных мотивов для различных условий p , T (подробности приведены в основном тексте).

    Пространственный статистический анализ с использованием K-функции Рипли различных структурных мотивов поддерживает предположение о более однородной структуре, поскольку не удалось идентифицировать неоднородности за пределами первой координационной оболочки ( r 5 Å). Использование индекса локальной структуры (LSI) (7, 51) для идентификации высокой (I> 0,03) и низкой (I <0,03) структурированной локальной координации приводит к количеству молекул с высоким LSI ~ 50% в условиях окружающей среды и быстрой уменьшение этого числа при увеличении p , T .Однако пространственный статистический анализ этих субпопуляций также не показывает пространственных корреляций за пределами r 5 Å даже для молекул с высоким LSI ( SI Text ), что указывает на то, что молекулы с различными локальными средами присутствуют при всех смоделированных температурах и давлениях. но не имеют пространственной корреляции за пределами их характерных расстояний (т. е. второй координационной оболочки). Это согласуется с выводами English et al. (4).

    Рассчитанные спектры XRS, полученные в результате усреднения по кластерам, напоминающим наиболее часто встречающуюся структурную конфигурацию (относительно n HB и n OO ) в каждом состоянии p , T , показаны в третий столбец рис.4. Положение переднего и основного края, интенсивность переднего края и общая форма спектра систематически меняются для различных распределений Н-связей и количества ближайших кислородных соседей (рис. 4, рис. столбцы 1 и 2). Примечательно, что меньшее количество водородных связей и ближайших кислородных соседей приводит к отчетливым пред- и основным краевым характеристикам (h2O1 и h2O3), тогда как распределения с более высокими n HB и n OO приводят к меньшим перед краями и больший спектральный вес в посткраевой области (h3O5 и h5O5).В этом отношении спектральные изменения, наблюдаемые при постоянной температуре и различной плотности (рис. 2 C ), вызваны другой микроскопической топологией (т. Е. Переходом от одной Н-связи и трех ближайших кислородных соседей к преимущественно двум Н- связи и пять атомов кислорода в первой координационной оболочке).

    Чувствительность рентгеновских спектров к локальной структуре проиллюстрирована на рис. 4 ( верхний ) сравнением аналогичных локальных конфигураций для различных термодинамических условий.На рис. 4 (, верхний левый угол, ), спектры от локальных сред, имеющих четыре Н-связи и пять кислородных соседей в условиях окружающей среды (1,00 г / см 3 ), 200 ° C (0,86 г / см 3 ), и 400 ° C (0,86 г / см 3 ) сравниваются и показывают значительный спектральный вес в посткраевой области и лишь незначительную интенсивность в предкраевой области. На рис.4 (, верхний правый угол ), спектры от локальных сред, имеющих одну водородную связь и три ближайших кислородных соседа при 370 ° C (0,45 г / см 3 ), 400 ° C (0.54 г / см 3 ) и 600 ° C (0,45 г / см 3 ). Здесь, независимо от точки состояния, видны ярко выраженные pre- и main-края. Очевидно, что спектры XRS, относящиеся к разным структурным мотивам, сохраняют свою спектральную форму при одинаковых плотностях при разных температурах. Остальные различия систематически зависят от температуры, которая подчеркивает эффект увеличения беспорядка даже в первой координационной сфере с повышением температуры, наряду с влиянием молекул без водородных связей в ближайшем и промежуточном локальном окружении.

    Заключение

    Микроскопическая структура воды в условиях высокого давления и высоких температур, преобладающая, например, в глубинах Земли, была исследована с использованием рентгеновского излучения, а также моделирования ab initio MD. Спектры XRS показывают непрерывную эволюцию от водоподобного спектра при комнатной температуре и атмосферном давлении к более газообразному спектру при самых высоких исследованных температурах и давлениях. Сравнение со спектрами, рассчитанными из ab initio снимков МД, показывает, что спектральные особенности и систематические изменения формы спектра во всем исследуемом режиме давления и температуры могут быть поняты с точки зрения однородной микроскопической структуры.

    На основании близкого сходства расчетных спектров и данных измерений, а также соответствия ПКФ, извлеченных из прогонов МД, и опубликованных данных, более подробная информация о локальном структурном окружении рассеивающих атомов кислорода, такая как количество H-связей и ближайших кислородных соседей была извлечена из нашей МД-модели. В условиях окружающей среды преобладают виды с четырьмя Н-связями и пятью кислородными соседями на расстоянии 3,6 Å. При увеличении температуры и давления вдоль кривой давления пара количество Н-связей на молекулу уменьшается до 0.6 при T = 600 ° C и p = 134 МПа. Типичные местные структурные среды со специфическими спектральными отпечатками могут быть идентифицированы для описания воды при различных условиях давления / температуры. Однако с помощью пространственного статистического анализа блоков моделирования МД не удалось обнаружить кластеризацию этих мотивов. Следовательно, настоящее исследование предполагает однородное пространственное распределение этих мотивов. Путем сравнения смоделированных спектров для конкретных локальных сред при различных температурах и давлениях можно определить чувствительность и систематическую зависимость формы спектра K-края кислорода от непосредственного локального окружения атомов кислорода в воде в широком диапазоне температур и давлений. подчеркнул.Представленные экспериментальные спектры служат эталоном для дальнейших теоретических исследований с использованием других средств моделирования атомной структуры и других подходов к расчету спектров XRS на основе моделей, таких как методы на основе BSE.

    Материалы и методы

    Резистивно нагретый HDAC (52, 53) с рениевым уплотнением использовался для создания условий высокого давления и высокой температуры. Рентгеновские лучи проникали в образец воды Milli-Q (Millipore), содержащийся в углублении диаметром 500 мкм и глубиной 120 мкм в кюлете нижнего алмаза прямо под рениевой прокладкой.Таким образом, путь рентгеновского излучения через алмаз был оптимизирован вместе с увеличением объема исследуемой пробы. Температура измерялась термопарой типа K на каждом из двух ромбов (рис. 2, , вставка ). HDAC загружали перед измерением в каждой точке состояния, и давления рассчитывали по температуре гомогенизации жидкость-пар, которая определялась путем визуального наблюдения за пузырьком пара, содержащимся в объеме образца, до и после каждого эксперимента. Использовалось уравнение состояния по методу Вагнера и Прусса (54).XRS (55) использовался для измерения спектров K-края кислорода in situ в условиях высокого давления и высоких температур. Эксперимент XRS проводился на канале неупругого рентгеновского рассеяния ID16 Европейского центра синхротронного излучения в Гренобле, Франция. Подробное описание прибора можно найти в другом месте (56). Используя спектрометр с геометрией Роуленда 1 м, спектры XRS собирали путем сканирования падающей энергии при фиксированной энергии анализатора 9,69 кэВ, так что потеря энергии сканировалась по K-краю кислорода при 535 эВ.Рассеяние от девяти изогнутых ( R = 1 м) кристаллов Si (660) фокусировалось на счетчике фотонов пиксельного детектора. Используя визуализирующие свойства кристаллов анализатора в сочетании с 2D-детектором (57), рассеяние от образца можно удобно отличить от паразитного рассеяния от HDAC. Используя Si (220) монохроматор с обрезным каналом после двухкристального Si (111) монохроматора с высокой тепловой нагрузкой, было получено общее энергетическое разрешение 0,7 эВ. Входящий пучок рентгеновских лучей фокусировался на образце до ∼50 × 130 мкм 2 (по вертикали × горизонтали).Для спектра RT скорость счета для одного анализатора составляла ок. 40 импульсов в секунду при максимуме кислородного K-края на фоне фона ~ 90 импульсов в секунду. При самой низкой плотности 0,45 г / см 3 и 600 ° C мы могли измерять 20 отсчетов в секунду на максимуме кислородного K-края на фоне фона 120 отсчетов в секунду на кристалл анализатора. Для окончательных спектров сигналы от всех девяти кристаллов анализатора и нескольких отдельных сканирований были проверены на согласованность и суммированы с учетом статистического веса, так что средний переданный импульс q = (1.6 ± 0,2) атомных единиц (а.е.). Из суммированных данных вычитали линейный фон. Типичное время подсчета составляло 4–5 ч на одну точку состояния. Конечные спектры XRS были нормированы на интегральную интенсивность от 531 до 555 эВ. Подробности обработки и анализа данных можно найти в исследовании Sternemann et al. (58). Поскольку мы могли наблюдать образец во время эксперимента через микроскоп, мы можем исключить любое повреждение образца из-за воздействия рентгеновских лучей. Структура жидкой и сверхкритической воды моделировалась неэмпирическим моделированием МД с использованием метода Кар-Парринелло (59), реализованного в коде CPMD (60).Ячейки моделирования содержали 64 молекулы H 2 O, и моделирование проводилось при постоянном объеме и температуре (т.е. в ансамбле NVT ). Плотности были скорректированы в соответствии с экспериментами. Температуру контролировали термостатом Нозе – Гувера (61, 62). Для расчета электронной структуры использовались базисы плоских волн, обменно-корреляционный функционал Беке – Ли – Янга – Парра (63, 64) и псевдопотенциалы типа Гедеккера (65). Орбитали Кона – Шэма расширились до энергии 70 Ry.Для динамики Кар – Парринелло фиктивная масса электрона 600 а.е. использовался. Уравнения движения интегрировались с шагом по времени 0,12 фс. Исходная структура воды была изменена на основе предыдущего моделирования сверхкритических водных растворов (66). После уравновешивания в каждой точке состояния были выполнены производственные циклы 5–10 пс. По записанным траекториям вычислялись парциальные функции радиального распределения. Было показано, что CPMD дает репрезентативную меру локальной атомной среды в сверхкритической воде, несмотря на ограниченный размер окна моделирования (67).При использовании ограниченного размера блока моделирования MD крупномасштабные колебания не принимаются во внимание. Однако в нашем эксперименте не было никаких указаний на поведение гомогенизации жидкости и пара, что какой-либо из наших спектров существенно зависит от флуктуаций плотности, и не наблюдалось никакого критического явления, такого как критическая опалесценция. Спектры рентгеновского излучения отдельных снимков МД были рассчитаны с помощью ERKALE (68) в приближении переходного потенциала (69) в рамках DFT с использованием переработанного функционала Пердью – Берка – Эрнцерхофа (70⇓ – 72).Базисный набор IGLO-III (73) использовался для возбужденного кислородного сайта, тогда как расширенный корреляционный базис согласованной поляризованной валентности с двойной дзета (74) использовался для всех других атомов. Локализация основного отверстия была обеспечена замораживанием других кислородных орбиталей ядра в системе (68). Смешивание Бройдена (75) матрицы Кона – Шэма – Фока использовалось при решении уравнений самосогласованного поля (ССП). Для улучшения описания виртуальных орбиталей после достижения SCF-сходимости на возбужденном сайте был добавлен большой набор диффузных функций.Для каждого условия p , T были рассчитаны и усреднены спектры 128 сферических кластеров по ~ 90 атомов в каждом. Для рентгеновских спектров наиболее часто встречающихся мотивов были усреднены рассчитанные спектры 120 кластеров, извлеченных из МД-траекторий. Расчеты сходились относительно базисного набора.

    Благодарности

    Мы благодарим Европейский центр синхротронного излучения за предоставление синхротронного излучения. Мы признательны К.Henriquet (Европейский центр синхротронного излучения), M. Kreplin (Deutsches GeoForschungsZentrum) и J. Schüssler (Deutsches GeoForschungsZentrum) за техническую поддержку. Работа поддержана Deutsche Forschungsgemeinschaft (гранты TO 169 / 14-1 и JA1469 / 4-1), Академией Финляндии (гранты 1256211, 1127462 и 1259526), ​​Исследовательскими фондами Хельсинкского университета (гранты 4

    и 4). , Bundesministerium für Bildung und Forschung (грант 05K10PEC) и Фонд Дженни и Антти Вихури.Мы также признательны за поддержку со стороны Juelich Supercomputing Center в рамках проекта с идентификатором HPO15.

    Сноски

    • Вклад авторов: C.J.S., C. Sternemann, C. Schmidt, L.S., M.T., K.H. и M.W. разработали исследование; C.J.S., C. Sternemann, C. Schmidt, L.S., A.N., K.M. и M.W. провели исследования; C.J.S., J.L. и S.J. внесены новые реагенты / аналитические инструменты; C.J.S., C. Sternemann, J.L., S.J., S.H., M.H., T.P. и M.W. проанализировали данные; и C.J.S., C. Sternemann, J.L., S.Статья написали J., S.H., M.H., T.P., M.T., K.H., M.W..

    • Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

    • Эта статья представляет собой прямое представление PNAS. А.К.С. Приглашенный редактор по приглашению редакционной коллегии.

    • Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1220301110/-/DCSupplemental.

    • См. Комментарий на стр. 6250.

    Споры о структуре водоснабжения положены в конец? | Исследования

    Споры о структуре жидкой воды, бушевавшие почти десятилетие, могут быть развеяны новым компьютерным исследованием.Томас Кюне и Рустам Халиуллин из Университета Майнца в Германии говорят, что обе стороны аргумента могут быть правы, в зависимости от того, как вы исследуете вопрос. 1

    Тетраэдрическая координация молекул воды — каждая из которых связана водородными связями с четырьмя соседями — имеет почти знаковый статус в исследованиях структуры воды. Именно так это проявляется во льду, и эксперименты и моделирование, казалось, предполагают, что жидкое состояние имеет тот же мотив в своей динамической, менее упорядоченной сети с водородными связями.Но эта картина была поставлена ​​под сомнение в 2004 году измерениями спектра поглощения рентгеновских лучей (XAS) воды, сделанными Андерсом Нильссоном из Стэнфордского университета и его сотрудниками. 2 Они утверждали, что их результаты показали, что молекулы воды связаны в основном линейными цепями и кольцами.

    Это утверждение сильно оспаривалось — некоторые утверждали, что Нильссон и его коллеги сделали необоснованные предположения при выводе структуры из своих необработанных данных. 3 С тех пор команда Стэнфорда изменила свою картину, предположив, что вода содержит смесь почти тетраэдрических связей и сильно искаженных водородных связей с небольшой направленностью. 4

    Поверхностные воды

    Кюне и Халиуллин не ставили перед собой задачу разрешить спор. «Изначально нам было интересно посмотреть, как изменяется электронная структура молекул воды, когда они приближаются к поверхности», — говорит Кюне. Для этого они использовали новый вычислительный метод, получивший название ALMO EDA, который разбивает энергии взаимодействия молекул на компоненты, которым можно придать физический смысл с точки зрения вовлеченных связей. 5

    К своему удивлению они обнаружили, что даже в объемной фазе многие молекулы не имеют ожидаемой тетраэдрической координации с четырьмя эквивалентными водородными связями.Вместо этого две из этих связей были намного прочнее двух других: связь была асимметричной. Это произошло не из-за двух различных типов водородной связи, как ранее предполагали некоторые исследователи, а скорее из-за того, что разная сила связи была вызвана большими или меньшими искажениями одного типа связи.

    В результате окружение типичной молекулы воды сильно асимметрично в любой момент времени. Но поскольку асимметрия быстро колеблется, она усредняется на временных масштабах в несколько сотен фемтосекунд, восстанавливая видимость тетраэдрическости.Поскольку XAS исследует шкалу времени менее фемтосекунды, говорят Кюне и Халиуллин, он «видит» мгновенную симметрию, которую команда Нильссона интерпретировала как свидетельство двухкоординатных структур.

    Контекст — это все

    Таким образом, следует ли называть структуру воды тетраэдрической, «сильно зависит от контекста», — говорит Кюне. «Мгновенное окружение молекулы воды совсем не похоже на тетраэдр».

    «Это очень важный шаг вперед», — говорит Нильссон.«Это очень близко к нашему первоначальному предположению, что многие молекулы будут иметь мгновенные конфигурации с одной сильной и одной слабой водородной связью».

    «Мне очень нравится эта статья, и я считаю, что она вносит хороший вклад в изучение предмета», — говорит Алан Сопер из лаборатории Резерфорда Эпплтона, Великобритания. «Это предполагает, что важным эффектом являются флуктуации электронной плотности между связанными молекулами, которые происходят в гораздо более быстром масштабе времени, чем это было бы очевидно в ядерных движениях. Это кажется очень рациональным взглядом, который в разных формах выражался другими авторами.’

    Однако Сопера не убедила интерпретация Нильссона и его коллег, и поэтому он не видит необходимости в каком-либо «решении». «Я считаю, что никогда не существовало жизнеспособной« асимметричной »модели структуры воды: все существующие модели потенциала взаимодействия с водой приводят к представлению о структуре, которая является симметричной с почти двумя донорными и двумя акцепторными водородными связями в среднем, но со значительными колебаниями вокруг среднего ».

    В более общем плане, говорит Кюне, новые результаты напоминают о том, что обычные меры химической связи являются средними.«Если мы рассмотрим химическую связь в атомном масштабе, мы всегда будем видеть динамический объект с изменяющейся длиной и силой».

    Расчет молекулярной массы

    — Центр Гельфанда

    • Химическая формула воды — h3O, что означает, что эта молекула имеет 3 атома: 2 атома водорода (H) и 1 атом кислорода (O). Используя периодическую таблицу элементов, чтобы найти атомные веса, мы находим, что водород имеет атомный вес 1, а кислород — 16.Чтобы вычислить молекулярную массу одной молекулы воды, мы складываем вклады от каждого атома; то есть 2 (1) + 1 (16) = 18 грамм / моль.
    • Химическая формула мономера этилена — (Ch3-Ch3) -. Всего в нем 6 атомов: 2 атома углерода (C) и 4 атома водорода (H). Атомный вес углерода 12; а водород равен 1, так что один мер этилена имеет вес 2 (12) + 4 (1) = 28. Мы объединяем (реагируем) многие меры этилена вместе, образуя полиэтиленовую цепь. Одна тысяча мер, соединенных вместе, в сумме даст вес 28000 грамм / моль и будет иметь 6000 атомов.

    A моль — стандартный химический метод определения количества присутствующего вещества. моль — это единица измерения количества вещества. Один моль «чего-то» содержит 6,022 x 1023 объекта. Например, на один моль химического соединения приходится 6,022 x 1023 молекул.

    Рассчитаем молекулярную массу некоторых распространенных соединений. Используйте приведенную ниже таблицу, чтобы найти атомный вес каждого атома (элемента), или обратитесь к Периодической таблице элементов. Подсказка : Подсчитайте количество атомов каждого элемента, а затем умножьте это число на атомный вес элемента.

    Элемент Atomic
    Вес
    H (водород) 1
    C (углерод) 12
    N (азот) 14
    O (кислород) 16
    Na (натрий) 23
    Cl (хлор) 35

    1. Поваренная соль — NaCl
      Ответ: 23 (1) +35 (1) = 58
    2. Аммиак — Nh4
      Ответ: 1 (3) +14 (1) = 3 + 14 = 17
    3. Уксус (уксусная кислота) — Ch4COOH
      Ответ: 1 (4) +12 (2) +16 (2) = 4 + 24 + 32 = 60

    Ученые обнаружили новые свойства h3O — ScienceDaily

    Группа ученых открыла новые молекулярные свойства воды — открытие явления, которое раньше оставалось незамеченным.

    Жидкая вода, как известно, отлично переносит продукты собственной автоионизации; то есть заряженные частицы, полученные при расщеплении молекулы воды (h3O) на протоны (H +) и гидроксид-ионы (OH?). Это замечательное свойство воды делает ее важнейшим компонентом новых технологий производства и хранения электрохимической энергии, таких как топливные элементы; действительно, сама жизнь была бы невозможна, если бы вода не обладала этой характеристикой.

    Вода, как известно, представляет собой сложную сеть слабых направленных взаимодействий, известных как водородные связи.Почти столетие считалось, что механизмы, с помощью которых вода переносит H + и OH? ионы были зеркальными отображениями друг друга — идентичными во всех отношениях, за исключением направлений водородных связей, участвующих в процессе.

    Современные теоретические модели и компьютерное моделирование предсказывают фундаментальную асимметрию этих механизмов. Если это верно, то эту асимметрию можно использовать в различных приложениях, настраивая систему таким образом, чтобы один ион был предпочтительнее другого.

    Экспериментальное доказательство теоретического предсказания так и осталось неуловимым из-за трудности прямого наблюдения за двумя типами ионов. Различные эксперименты только дали представление о предполагаемой асимметрии.

    Группа ученых из Нью-Йоркского университета во главе с профессором Алексеем Джершоу, включая Эмилию Силлетту, научного сотрудника Нью-Йоркского университета, и Марка Такермана, профессора химии и математики Нью-Йоркского университета, разработали новый эксперимент для устранения этой асимметрии.Экспериментальный подход заключался в охлаждении воды до так называемой температуры максимальной плотности, при которой асимметрия, как ожидается, будет проявляться наиболее сильно, что позволяет ее тщательно детектировать.

    Как известно, лед плавает по воде, а озера замерзают сверху. Это связано с тем, что молекулы воды упаковываются в структуру с более низкой плотностью, чем у жидкой воды, — проявление необычных свойств воды: плотность жидкой воды увеличивается чуть выше точки замерзания и достигает максимума при четырех градусах Цельсия (39 градусов Цельсия). По Фаренгейту), так называемая температура максимальной плотности; эта разница в плотности означает, что жидкость всегда находится подо льдом.

    Охладив воду до этой температуры, группа использовала методы ядерного магнитного резонанса (тот же подход используется с медицинской точки зрения при магнитно-резонансной томографии), чтобы показать, что разница во времени жизни двух ионов достигает максимального значения (чем больше время жизни, тем медленнее транспорт). Подчеркивая разницу в продолжительности жизни, асимметрия стала очевидной.

    Как отмечалось ранее, вода состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, но атомы водорода относительно подвижны и могут перескакивать с одной молекулы на другую, и именно эти скачки делают две ионные частицы такими подвижными в воде.

    В поисках объяснения характеристик, зависящих от температуры, исследователи сосредоточились на скорости, с которой могут происходить такие прыжки.

    Предыдущие исследования показали, что два основных геометрических расположения водородных связей (по одной с каждым ионом) способствуют прыжкам. Исследователи обнаружили, что одна из схем привела к значительно более медленным прыжкам для OH? чем для H + при четырех градусах Цельсия. Поскольку это также температура максимальной плотности, исследователи сочли, что эти два явления должны быть связаны.Кроме того, их результаты показали, что прыжковое поведение молекул резко изменилось при этой температуре.

    «Изучение молекулярных свойств воды представляет большой интерес из-за ее центральной роли в обеспечении физиологических процессов и ее повсеместного характера», — говорит Джершоу, автор этого исследования. «Новое открытие весьма удивительно и может позволить более глубокое понимание свойств воды, а также ее роли как жидкости во многих явлениях природы».

    Такерман, который был одним из первых исследователей, предсказавших асимметрию механизмов переноса и различие в расположении водородных связей, говорит: «Приятно видеть, что это явное экспериментальное свидетельство подтверждает наши предыдущие предсказания.В настоящее время мы ищем новые способы использования асимметрии между H + и OH? транспорт для разработки новых материалов для экологически чистых источников энергии, и, зная, что мы начинаем с правильной модели, это имеет ключевое значение для нашего дальнейшего прогресса ».

    Большое количество других исследований, от изучения функции ферментов в организме до понимания того, как живые организмы могут процветать в суровых условиях, включая отрицательные температуры и сильно кислую среду, также будут затронуты выводами команды.

    Исследование было поддержано грантами Национального научного фонда (CHE 1710046, CHE-1534374) и частично программой MRSEC Национального научного фонда (DMR-1420073).

    Вода и ее структура

    ↑ [изображение] Примечание: в этом документе будет напечатано в соответствующим образом измененном формате (14 страниц)

    Молекула воды

    Молекула представляет собой совокупность атомных ядер , и электронов , которая достаточно стабильна, чтобы обладать наблюдаемыми свойствами — и есть несколько молекул, которые более стабильны и трудны для разложения, чем H 2 O.В воде каждое ядро ​​водорода связано с центральным атомом кислорода парой электронов, общих между ними; химики называют эту общую электронную пару ковалентной химической связью. В H 2 O только два из шести электронов кислорода внешней оболочки используются для этой цели, оставляя четыре электрона, которые организованы в две несвязывающие пары. Четыре пары электронов, окружающие кислород, стремятся располагаться как можно дальше друг от друга, чтобы минимизировать отталкивание между этими облаками отрицательного заряда.Обычно это приводит к тетраэдрической геометрии, в которой угол между электронными парами (и, следовательно, валентный угол H-O-H ) составляет 109,5 °. Однако, поскольку две несвязывающие пары остаются ближе к атому кислорода, они оказывают более сильное отталкивание по отношению к двум ковалентным парам связи, эффективно сближая два атома водорода. В результате получается искаженное тетраэдрическое расположение, в котором угол H-O-H равен 104,5 °.

    Хотя молекула воды не несет чистого электрического заряда, ее восемь электронов распределены неравномерно; у кислородного конца молекулы немного больше отрицательного заряда (пурпурный), а у водородного конца — компенсирующий положительный заряд (зеленый).Получающаяся в результате полярность в значительной степени отвечает за уникальные свойства воды.

    Поскольку молекулы меньше световых волн, их нельзя наблюдать напрямую, и их необходимо «визуализировать» альтернативными способами. Это изображение, созданное компьютером, получено в результате расчетов, моделирующих распределение электронов в молекуле H 2 O. Внешняя оболочка показывает эффективную «поверхность» молекулы, определяемую размером облака отрицательного электрического заряда, созданного восемью электронами.

    Дополнительную информацию об этой модели см. На сайте SBU Water Site.

    Водородная связь

    Молекула H 2 O электрически нейтральна, но положительный и отрицательный заряды распределены неравномерно. Это иллюстрируется градацией цвета на схематической диаграмме. Электронный (отрицательный) заряд концентрируется на кислородном конце молекулы, частично из-за несвязывающих электронов (сплошные синие кружки), а также из-за высокого заряда ядра кислорода, который сильнее притягивает электроны.Это смещение заряда представляет собой электрический диполь , показанный стрелкой внизу; вы можете думать об этом диполе как об электрическом «изображении» молекулы воды.

    Как мы все в школе учили, противоположные заряды притягиваются, поэтому частично положительный атом водорода на одной молекуле воды электростатически притягивается к частично отрицательному кислороду соседней молекулы. Этот процесс называется (несколько ошибочно) водородными связями . Обратите внимание, что водородная связь (показана пунктирной зеленой линией) несколько длиннее ковалентной связи O-H.Это означает, что он на значительно слабее ; на самом деле она настолько слаба, что данная водородная связь не может существовать дольше, чем крошечная доля секунды.

    Подробнее о водородных связях см. Здесь.

    Аномальные свойства воды

    Давно известно, что вода проявляет множество физических свойств, которые отличают ее от других небольших молекул сопоставимой массы. Химики называют это «аномальными» свойствами воды, но они ни в коем случае не являются загадочными; все это вполне предсказуемые последствия того, как размер и ядерный заряд атома кислорода искажают облака электронных зарядов атомов других элементов, когда они химически связаны с кислородом.

    Вода — одно из немногих известных веществ, твердая форма которого менее плотная, чем жидкость. График справа показывает, как объем воды изменяется в зависимости от температуры; большое увеличение (около 9%) при замерзании показывает, почему лед плавает на воде и почему трубы лопаются при замерзании. Расширение от –4 ° до 0 ° связано с образованием более крупных агрегатов с водородными связями. Выше 4 ° наступает тепловое расширение, поскольку колебания связей O — H становятся более сильными, стремясь отодвинуть молекулы дальше друг от друга.

    Другое широко упоминаемое аномальное свойство воды — ее высокая температура кипения . Как показано на этом графике, такая легкая молекула, как H 2 O, «должна» закипать при температуре около –90 ° C; то есть, он существовал бы в мире в виде газа, а не жидкости, если бы водородные связи не присутствовали. Обратите внимание, что водородная связь также наблюдается с фтором и азотом.

    «Сорок одна аномалия воды» — некоторые из них довольно эзотерические

    Поверхностное натяжение и смачивание

    Вы когда-нибудь наблюдали, как насекомое бродит по поверхности пруда? Водомер использует преимущество того факта, что поверхность воды действует как эластичная пленка, которая сопротивляется деформации при размещении на нее небольшого груза.(Если вы будете осторожны, вы также можете «плавать» небольшую канцелярскую скрепку или стальную скобу на поверхности воды в чашке.) Это все из-за поверхностного натяжения воды. Молекула в объеме жидкости испытывает притяжение к соседним молекулам во всех направлениях, но поскольку в среднем они равны нулю, на молекулу не действует результирующая сила. Для молекулы, находящейся на на поверхности , ситуация совершенно иная; он испытывает силы только вбок и вниз, и это создает эффект растянутой мембраны.

    Различие между молекулами, расположенными на поверхности и глубоко внутри, особенно заметно в H 2 O из-за сильных водородных связей. Разница между силами, испытываемыми молекулой на поверхности и силой в объеме жидкости, вызывает поверхностное натяжение жидкости .

    На этом рисунке показаны две молекулы H 2 O, одна на поверхности, а другая в объеме жидкости. Поверхностная молекула притягивается к своим соседям снизу и по обе стороны, но нет притяжения, указывающего в телесном угле 180 ° над поверхностью.Как следствие, молекула на поверхности будет стремиться втягиваться в объем жидкости. Но поскольку всегда должна быть какая-то поверхность, общий эффект заключается в минимизации площади поверхности жидкости.

    Геометрическая форма с наименьшим отношением площади поверхности к объему — это сфера , поэтому очень небольшие количества жидкости имеют тенденцию образовывать сферические капли. По мере того, как капли становятся больше, их вес придает им типичную форму слезы.

    [изображение: Кроуфорд Уилсон III]
    Смачивание

    Возьмите с кухни пластиковую миску и брызните в нее водой. Вы, вероятно, заметите, что вода не покрывает внутреннюю поверхность равномерно, а остается диспергированной в капли. Такой же эффект наблюдается на грязном лобовом стекле; включение дворников просто разбивает сотни капель на тысячи. Напротив, вода, налитая на чистую стеклянную поверхность, смочит ее, оставив однородную пленку.

    Когда жидкость контактирует с твердой поверхностью, ее поведение зависит от относительного величины сил поверхностного натяжения и сил притяжения между молекулами жидкости и молекулами, составляющими поверхность. Если молекула H 2 O больше сильно притягивается к себе подобным, тогда будет преобладать поверхностное натяжение, увеличивая кривизну границы раздела. Вот что происходит на границе раздела воды и гидрофобная поверхность, такая как пластиковая миска для смешивания или лобовое стекло, покрытое маслянистым материалом.Чистый поверхность стекла, напротив, имеет торчащие из нее группы -ОН, которые легко присоединяются к молекулам воды. через водородную связь; это приводит к тому, что вода равномерно растекается по поверхности или смачивает ее. Жидкость смачивает поверхность, если угол, под которым она соприкасается с поверхностью, превышает 90 °. Значение этого краевого угла смачивания можно предсказать, исходя из свойств жидкости и твердого вещества по отдельности.

    Если мы хотим, чтобы вода смочила поверхность, которая обычно не смачивается, мы добавляем в воду моющее средство , чтобы уменьшить ее поверхностное натяжение.Моющее средство — это особый вид молекулы, в которой один конец притягивается к молекулам H 2 O, а другой — нет, поэтому эти концы выступают над поверхностью и отталкиваются друг от друга, нейтрализуя силы поверхностного натяжения из-за только молекулы воды.

    Вода жидкая

    Природа жидкой воды и как работает модель
    H 2 O в нем организованы и взаимодействуют — вопросы, которые привлекали интерес химиков на протяжении многих лет.Вероятно, не существует жидкости, которая подвергалась бы более интенсивному изучению, и сейчас существует огромное количество литературы по этому вопросу.

    Следующие факты точно установлены:

    • H 2 Молекулы O притягиваются друг к другу посредством особого типа диполь-дипольного взаимодействия, известного как водородные связи
    • кластер с водородными связями, в котором четыре H 2 Os расположены в углах воображаемого тетраэдра, является особенно благоприятной (с низким потенциалом энергии) конфигурацией, , но
    • молекулы претерпевают быстрые тепловые движения с временной шкалой в пикосекунды (10 –12 секунды), поэтому время жизни любой конкретной кластерной конфигурации будет кратковременным.

    Для исследования микроскопической структуры воды использовались различные методы, включая поглощение инфракрасного излучения, рассеяние нейтронов и ядерный магнитный резонанс. Информация, полученная в результате этих экспериментов и теоретических расчетов, привела к разработке около двадцати «моделей», которые пытаются объяснить структуру и поведение воды.Совсем недавно компьютерное моделирование различных видов использовалось для изучения того, насколько хорошо эти модели могут предсказывать наблюдаемые физические свойства воды.

    Эта работа привела к постепенному уточнению наших взглядов на структуру жидкой воды, но не дала окончательного ответа. Для этого есть несколько причин, но главная из них заключается в том, что само понятие «структура» (и водных «кластеров») зависит как от рассматриваемых временных рамок, так и от объема.Таким образом, остаются открытыми вопросы следующих видов:

    • Как отличить члены «кластера» от соседних молекул, которых нет в этом кластере?
    • Поскольку отдельные водородные связи непрерывно разрываются и реформируются в пикосекундном масштабе времени, имеют ли кластеры воды какое-либо значимое существование в течение более длительных периодов времени? Другими словами, кластеры временны, тогда как «структура» подразумевает более прочное расположение молекул.Можем ли мы тогда законно использовать термин «кластеры» для описания структуры воды?
    • Возможные местоположения соседних молекул вокруг данного H 2 O ограничены энергетическими и геометрическими соображениями, что приводит к определенному количеству «структуры» в любом элементе малого объема. Однако неясно, в какой степени эти структуры взаимодействуют при увеличении размера элемента объема. И, как упоминалось выше, в какой степени эти структуры сохраняются в течение периодов, превышающих несколько пикосекунд?

    Представление, впервые появившееся в 1950-х годах, что вода представляет собой совокупность «мерцающих кластеров» разного размера (справа), постепенно было отвергнуто как неспособное объяснить многие наблюдаемые свойства жидкости.

    Современные виды водной структуры

    Сегодняшнее мышление, на которое сильно повлияло моделирование молекулярного моделирования, начавшееся в 1980-х годах, состоит в том, что в очень коротком временном масштабе (менее пикосекунды) вода больше похожа на «гель», состоящий из одного огромного кластера с водородными связями. На шкале времени 10 -12 -10 -9 секунд вращения и другие тепловые движения вызывают разрыв отдельных водородных связей и их переформирование в новые конфигурации, вызывая постоянно меняющиеся локальные неоднородности, степень и влияние которых зависят от температуры. и давление.

    Недавняя работа лаборатории Ричарда СэйКалли показывает, что водородные связи в жидкой воде разрываются и реформируются так быстро (часто в искаженных конфигурациях), что жидкость можно рассматривать как непрерывную сеть молекул с водородными связями.

    Это компьютерное изображение жидкой воды в наномасштабе, полученное в лаборатории Джина Стэнли из Бостонского университета [источник].Атомы кислорода красные, атомы водорода белые

    Местные сооружения и водные узлы

    Вполне вероятно, что в очень малых объемах локализованные (H 2 O) n полимерные кластеры могут существовать мимолетно, и было проведено множество теоретических расчетов, показывающих, что некоторые комбинации более стабильны, чем другие. Хотя это может продлить их срок службы, не похоже, что они остаются неповрежденными достаточно долго, чтобы обнаруживать как непосредственно наблюдаемые объекты в обычной объемной воде при нормальном давлении.

    Теоретические модели предполагают, что средний кластер может включать до 90 молекул H 2 O при 0 ° C, так что очень холодную воду можно рассматривать как совокупность постоянно меняющихся ледяных структур. При 70 ° C средний размер кластера, вероятно, не превышает примерно 25.

    Следует подчеркнуть, что ни одна стабильная кластерная единица или структура никогда не была изолирована или идентифицирована в чистой объемной жидкой воде. В отчете 2006 года предполагается, что простая тетраэдрическая структура — единственная структура с большим радиусом действия, которая сохраняется на временных масштабах пикосекунды или выше.Но для интересного (и несколько спорного) альтернативного взгляда см. Эту статью в формате PDF, написанную покойным Растамом Роем.

    Водные кластеры представляют значительный интерес как модели для изучения воды и водных поверхностей, и многие статьи о них публикуются каждый год. Некоторые известные работы, опубликованные в 2004 году, расширили наш взгляд на воду до фемтосекундной шкалы времени. Главный вывод заключался в том, что 80 процентов молекул воды цепочечно связаны только с двумя другими молекулами при комнатной температуре, что подтверждает преобладающее мнение о динамически изменяющейся неупорядоченной структуре воды.

    Некоторые недавние работы с использованием новых экспериментальных и вычислительных методов позволили больше узнать о структуре воды:

    Жидкая и твердая вода

    Лед , как и все твердые тела, имеет четко выраженную структуру; каждая молекула воды окружена четырьмя соседними H 2 Os. два из них связаны водородной связью с атомом кислорода в центральной молекуле H 2 O, и каждый из двух атомов водорода аналогичным образом связан с другим соседним атомом H 2 O.

    Водородные связи представлены пунктирными линиями на этой двумерной схематической диаграмме. На самом деле четыре связи от каждого атома O указывают на четыре угла тетраэдра с центром на атоме O. Эта базовая сборка повторяется в трех измерениях, чтобы построить ледяной кристалл.

    Когда лед тает с образованием жидкой воды , однородная трехмерная тетраэдрическая организация твердого тела разрушается, поскольку тепловые движения разрушают, искажают, а иногда и разрывают водородные связи.Методы, используемые для определения положения молекул в твердом теле, не работают с жидкостями, поэтому нет однозначного способа определения детальной структуры воды. Представленная здесь иллюстрация, вероятно, типична для расположения соседей вокруг какой-либо конкретной молекулы H 2 O, но очень мало известно о том, в какой степени подобное расположение распространяется на более далекие молекулы.

    Вот трехмерные изображения типичной местной структуры воды (слева) и льда (справа.Обратите внимание на большую открытость структуры льда, которая необходима для обеспечения максимальной степени водородных связей в однородной протяженной кристаллической решетке. Более тесное и беспорядочное расположение в жидкой воде может поддерживаться только за счет большего количества тепловой энергии, доступной выше точки замерзания. [источник изображения]

    Подробнее о структуре льда:

    Стабильное расположение молекул воды с водородными связями во льду дает начало красивой гексагональной симметрии, которая проявляется в каждой снежинке.

    Почти все, что нужно знать о снежинках (и множество красивых изображений), можно найти на этой странице SnowCrystals от CalTech.

    Почему лед скользкий?

    При температурах до 200 К поверхность льда сильно разупорядочена и похожа на воду. Когда температура приближается к точке замерзания, эта область беспорядка распространяется дальше вниз от поверхности и действует как смазка.

    Иллюстрация взята из статьи в выпуске C&EN от 7 апреля 2008 г., посвященной физическому химику Габору Соморджаи, который первым изобрел современные методы исследования поверхностей.

    Вода «Чистая»

    Для химика термин «чистый» имеет значение только в контексте конкретного применения или процесса. Дистиллированная или деионизированная вода, которую мы используем в лаборатории, содержит растворенные атмосферные газы и иногда некоторое количество кремнезема, но их небольшие количества и относительная инертность делают эти примеси незначительными для большинства целей. Когда для определенных типов точных измерений требуется вода наивысшей достижимой чистоты, ее обычно фильтруют, деионизируют и перегоняют в тройном вакууме.Но даже эта «химически чистая» вода представляет собой смесь изотопов: есть два стабильных изотопа водорода (H 1 и H 2 , последний часто обозначается D) и кислорода (O 16 и O 18 ), которые приводят к таким комбинациям, как H 2 O 18 , HDO 16 и т.д., все из которых легко идентифицируются в инфракрасных спектрах водяного пара. И в довершение всего, два атома водорода в воде содержат протоны, магнитные моменты которых могут быть параллельны или антипараллельны, что дает орто- и пара- воды соответственно.Обе формы обычно присутствуют в соотношении o / p 3: 1.

    Количество редких изотопов кислорода и водорода в воде достаточно варьируется от места к месту, поэтому теперь можно с некоторой точностью определить возраст и источник конкретной пробы воды. Эти различия отражаются в изотопных профилях H и O организмов. Таким образом, изотопный анализ человеческих волос может быть полезным инструментом для расследования преступлений и антропологических исследований. См. Также эту страницу «Криминалистика микробов» и этот общий ресурс по изотопам воды.

    Недавно было обнаружено ( Langmuir 2003, 19, 6851-6856), что свежедистиллированной воде требуется удивительно много времени, чтобы уравновеситься с атмосферой, что она претерпевает большие колебания pH и окислительно-восстановительного потенциала, и что эти эффекты сильнее когда вода подвергается воздействию магнитного поля. Причины такого поведения не ясны, но одна возможность состоит в том, что могут быть задействованы растворенные молекулы O 2 , которые являются парамагнитными.

    Питьевая вода

    Наша обычная питьевая вода, напротив, никогда не бывает химически чистой, особенно если она контактировала с отложениями. Подземные воды (из источников или колодцев) всегда содержат ионы кальция и магния, а также часто железа и марганца; Положительные заряды этих ионов уравновешиваются отрицательными ионами карбоната / бикарбоната, а иногда и некоторого количества хлорида и сульфата. Подземные воды в некоторых регионах содержат недопустимо высокие концентрации природных токсичных элементов, таких как селен и мышьяк.

    Можно подумать, что дождь или снег не будут подвергаться загрязнению, но когда водяной пар конденсируется из атмосферы, он всегда происходит с частицами пыли, которая выделяет вещества в воду, и даже самый чистый воздух содержит углекислый газ, который растворяется до образуют угольную кислоту. За исключением сильно загрязненной атмосферы, загрязнения, улавливаемые снегом и дождем, слишком малы, чтобы вызывать беспокойство.

    Правительства различных стран установили верхние пределы допустимого количества загрязняющих веществ в питьевой воде; самые известные из них — U.Стандарты питьевой воды Агентства по охране окружающей среды США.

    Какую воду лучше всего пить?

    Мне не известны какие-либо свидетельства того, что какой-либо один тип воды (включая особо «чистую» воду) более полезен для здоровья, чем любой другой, при условии, что вода не содержит патогенов и соответствует принятым стандартам, таким как упомянутые выше. . Для тех, кто чувствителен к остаточному хлору или все еще обеспокоен, хороший фильтр с активированным углем обычно удовлетворителен.Более крайние меры, такие как обратный осмос или дистилляция, оправданы только в явно экстремальных ситуациях.

    «Чистая» дождевая вода всегда содержит растворенный углекислый газ, который делает ее слегка кислой. Когда эта вода вступает в контакт с отложениями, она имеет тенденцию растворять их и при этом становится щелочной. Уровень pH питьевой воды может варьироваться от 5 до 9 и не влияет на здоровье. Идея о том, что щелочную воду лучше пить, чем кислую, широко пропагандируют торговцы альтернативным здоровьем, которые продают для этой цели бесполезные машины с ионизатором воды.Кислая вода иногда описывается инженерами как «агрессивная»; это относится к его склонности к коррозии металлических распределительных труб, но в этом смысле он не более активен, чем соляная кислота, уже присутствующая в вашем желудочном соке!

    Безионная вода

    Иногда можно услышать, что вода без минералов, и особенно дистиллированная вода , вредны для здоровья, потому что они «выщелачивают» необходимые минералы из организма. В этом нет правды; Дело в том, что минеральные ионы не проходят через клеточные стенки путем обычной осмотической диффузии, а скорее активно переносятся метаболическими процессами.Обширное исследование 2008 года не подтвердило более ранние сообщения о том, что низкий уровень кальция / магния в питьевой воде коррелирует с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Любая хорошо сбалансированная диета должна содержать все необходимые нам минеральные вещества.

    Хорошо известно, что люди, которые занимаются тяжелой физической активностью или находятся в очень жаркой среде, должны избегать употребления больших количеств даже обычной воды. Чтобы предотвратить серьезные проблемы с электролитным дисбалансом, необходимо восполнить потери солей с потоотделением.Это может быть достигнуто путем приема соленой пищи или напитков (включая «спортивные напитки») или солевых таблеток.

    Вода в нашем организме

    Около двух третей веса взрослого человека состоит из воды. Около двух третей этой воды находится внутри клеток, а оставшаяся треть состоит из внеклеточной воды, в основном в плазме крови и интерстициальной жидкости, которая омывает клетки. Эта вода, составляющая около пяти процентов веса тела (около 5 л у взрослого), служит поддерживающей жидкостью для клеток крови и действует как средство транспортировки химических веществ между клетками и внешней средой.В основном это 0,15 М раствор соли (NaCl), содержащий меньшие количества других электролитов, наиболее важными из которых являются бикарбонат (HCO 3 ) и анионы белка.

    Для получения дополнительной информации см. Этот интерактивный текст по физиологии жидкости.

    Содержание воды в наших телах строго контролируется в отношении как общего объема, так и содержания растворенных веществ, в частности ионов. Питье — это только один источник нашей воды; многие продукты, особенно содержащие клетки (фрукты, овощи, мясо), являются важным вторичным источником.Кроме того, значительное количество воды (350-400 мл / день) вырабатывается метаболически — то есть за счет окисления глюкозы, полученной из пищевых продуктов.

    Количество воды, обмениваемой в различных частях нашего тела, на удивление велико. Почки перерабатывают около 180 л / день, возвращая большую часть воды в кровоток. Лимфоток составляет 1-2,5 л / сут, а текучесть жидкости в кишечнике — 8-9 л / сут. Эти цифры затмеваются 80 000 л воды в день, которая диффундирует в обоих направлениях через стенки капилляров.

    Сколько воды мне пить?

    Идея о том, что каждый должен выпивать «восемь стаканов» воды в день, — одна из тех городских легенд, которые, кажется, никогда не исчезнут; это красиво развенчано на этом сайте медицинских мифов. Эта страница клиники Мэйо предлагает разумные рекомендации.

    Суточная потеря воды организмом

    Потеря дыхания: 800 мл
    Минимальная потеря потоотделения: 100 мл
    Каловые потери: 200 мл
    Минимальная потеря мочи: 500 мл

    Всего: 1600 мл

    В конечном счете, общее потребление воды плюс метаболическое производство должны уравновесить потерю воды.Для здорового взрослого человека, не подвергающегося стрессу, приведенные здесь цифры являются типичными минимальными значениями. Обратите внимание, что основная потеря происходит из-за простого дыхания. Минимальная потеря мочи определяется необходимостью удаления солей и других растворенных веществ, поступающих с пищей или производимых в результате метаболических процессов. Люди (например, многие пожилые) со сниженной функцией почек производят более разбавленную мочу и поэтому должны потреблять больше воды. И, конечно, стрессовые факторы, такие как физические нагрузки, воздействие очень высоких температур или диарея, могут значительно увеличить потребность в питье.

    Потребление слишком большого количества воды может привести к дисбалансу электролитов, что приведет к отравлению водой. Особенно восприимчивы дети с их низкой массой тела. В отчете за 2008 год рекомендуется никогда не давать воду младенцам.

    Связанная вода

    Как мы объяснили выше, объемная жидкая вода состоит из бурлящей массы цепочечных групп разного размера, которые то всплывают, то исчезают на временной шкале в пикосекунды.Но вблизи твердой поверхности или другой молекулы или иона, обладающих несбалансированным электрическим зарядом, молекулы воды могут ориентироваться и иногда даже связываться в относительно стабильные структуры.

    Вода в ионно-гидратных оболочках

    Молекулы воды сильно взаимодействуют с ионами , которые являются электрически заряженными атомами или молекулами. Растворение обычной соли (NaCl) в воде дает раствор, содержащий ионы Na + и Cl .Из-за его высокой полярности молекулы H 2 O, ближайшие к растворенному иону, прочно прикрепляются к нему, образуя так называемую внутреннюю оболочку или первичную гидратную оболочку . Положительно заряженные ионы, такие как Na + , притягивают отрицательные (кислородные) концы молекул H 2 O, как показано на диаграмме ниже. Упорядоченная структура внутри первичной оболочки создает за счет водородных связей область, в которой окружающие воды также в некоторой степени упорядочены; это внешняя гидратная оболочка, или циботактическая область .

    Некоторые недавние эксперименты показали степень ковалентной связи между d -орбиталями ионов переходных металлов и атомами кислорода молекул воды во внутренней гидратной оболочке.

    В 2003 году некоторые химики в Индии обнаружили ( Inorg. Chem. 44 (4) pp 816-818), что подходящая молекулярная основа (см. Выше) может заставить молекулы воды образовывать «нить», которая может проложить себе путь через больше открытого пространства для более крупных молекул.Все эти примеры показывают, что вода может иметь высокоорганизованные локальные структуры, когда она взаимодействует с молекулами, способными накладывать эти структуры на воду.

    Наконец, в публикации U. Nebraska-Lincoln в 2006 году описывается, как вода может образовывать ДНК-подобную двойную спираль внутри углеродной нанотрубки, которая подвергается воздействию высокого давления.

    Биовода: Связанная вода в биологических системах

    Давно известно, что внутриклеточная вода в непосредственной близости от любой мембраны или органеллы (иногда называемая вицинальной водой ) устроена совершенно иначе, чем объемная вода, и что эта структурированная вода играет важную роль в управлении формой (и, следовательно, биологической активность) крупных свернутых биополимеров.Однако важно иметь в виду, что структура воды в этих областях определяется исключительно геометрией окружающих участков водородных связей.

    Вода может образовывать водородные связи не только с самой собой, но и с любыми другими молекулами, на которых свисают звенья -ОН или -NH. 2 . Сюда входят простые молекулы, такие как спирты, поверхности, такие как стекло, и макромолекулы, такие как белки. Биологическая активность белков (важной подгруппой которых являются ферменты) критически зависит не только от их состава, но и от того, как складываются эти огромные молекулы; это сворачивание включает связанные водородом взаимодействия с водой, а также между различными частями самой молекулы.Все, что нарушает эти внутримолекулярные водородные связи, денатурирует белок и разрушает его биологическую активность. По сути, это то, что происходит, когда вы варите яйцо; Связи, удерживающие белок яичного белка в его компактном сложенном состоянии, разрываются, так что молекулы разворачиваются в запутанную нерастворимую массу, которая, как и Шалтай-Болтай, не может быть восстановлена ​​до своей первоначальной формы. Обратите внимание, что водородные связи не всегда должны включать воду; таким образом, две части двойной спирали ДНК удерживаются вместе водородными связями H-N-H.

    Это изображение, взятое из работы Уильяма Ройера-младшего из Медицинской школы США, показывает структуру воды (маленькие зеленые кружки), которая существует в пространстве между двумя половинами своего рода димерного гемоглобина. Тонкие пунктирные линии обозначают водородные связи. Благодаря геометрии сайтов водородных связей на основных цепях гемового белка, молекулы H 2 O в этой области высокоупорядочены; локальная структура воды стабилизируется этими водородными связями, а образующийся водный кластер, в свою очередь, стабилизирует эту конкретную геометрическую форму димера гемоглобина.Больше диаграмм с комментариями можно найти здесь.

    Псевдонаука о воде

    Дополнительную информацию по этой теме можно найти на сайте «AquaScams». Вот несколько основных моментов.

    Джеральд Поллак и вода «EZ»

    Профессор Поллак из Вашингтонского университета, вдохновленный замечательной работой Гилберта Линга, много писал о своих исследованиях воды в области гидрофильных твердых тел, таких как живая клетка. Его работа предполагает, что растворенные вещества (т.например, растворенные вещества) систематически исключаются из таких зон, и для описания этого явления был придуман термин «EZ-вода» (вода в зоне отчуждения).

    Я уважаю исследования, опубликованные Поллаком в авторитетных рецензируемых журналах, но некоторые из его выводов, похоже, расходятся с общепринятым научным консенсусом, и это, безусловно, правда, что его интерпретации вызвали много критики со стороны как химиков. и биологические сообщества. Судя по некоторым комментариям, которые я видел, вероятно, пройдет некоторое время, прежде чем появится достаточно доказательств, подтверждающих или опровергающих его теории.

    Клетки, гели и двигатели жизни : Новый объединяющий подход к функциям клеток — так называется увлекательная, прекрасно иллюстрированная книга Джеральда Поллака из Вашингтонского университета. Его центральная тема связана со структурирующим действием молекулы воды на динамику цитоплазматического геля. Как и большинство теорий, бросающих вызов традиционному научному пониманию, идеи Поллака вызвали много критики со стороны научного сообщества (пример), но, как показывает этот обзор в Nature , здесь есть много вещей, которые, безусловно, стоит изучить.Это видео с его лекцией 2009 г. на факультете UW является интересным и информативным.

    Книга профессора Поллока 2013 года, Четвертая фаза воды , так же прекрасно написана и иллюстрирована, как и его предыдущая книга. И это, вероятно, окажется столь же спорным, укрепив репутацию автора (по крайней мере, среди некоторых химиков) как «плохого парня науки о воде». Издательство предлагает бесплатный файл в формате pdf, содержащий несколько глав.

    Однако меня беспокоят некоторые из последних материалов, которые он разместил на YouTube; предание гласности «научных» результатов широкой публике перед их предложением или комментариями и критикой со стороны научных коллег привело к падению многих ученых (например.г., «поливод» и «холодный синтез».)


    «Кластерная», «Некластерная» и другие воды с измененной структурой

    К сожалению, многие торговцы змеиным маслом ложно подразумевают, что их бессмысленные утверждения подтверждаются работами Поллака.

    «Альтернативный» рынок здоровья полон дурацких продуктов, целью которых является изменение структуры воды путем стабилизации групп молекул H 2 O в постоянные кластеры из 4-8 молекул или, альтернативно, для разрушения того, что, как они утверждают, являются более крупные кластеры (обычно 10-15 молекул), которые, как они говорят, обычно существуют в воде.В любом случае цель состоит в том, чтобы способствовать притоку воды в клетки тела («клеточная гидратация»). Это, конечно, полная чушь; нет достоверных научных доказательств любого из этих утверждений, многие из которых граничат с причудливыми. Есть даже несколько абсурдных с научной точки зрения патентов США на производство так называемой «кластерной воды ™». По крайней мере, 20 таких ноздрей предлагаются для наивной с научной точки зрения публики через сотни веб-сайтов и ночные «рекламные ролики» по радио. Нельзя верить этой обманчивой рекламной шумихе.

    Есть ли у воды «память»?

    По мнению современных сторонников гомеопатии, должно. Гомеопатические лекарства получают путем разбавления растворов различных веществ настолько сильно, что даже единственная молекула активного вещества не может присутствовать в конечном лекарстве. Теперь, когда даже гомеопаты согласились с этим фактом, они объясняют, что вода каким-то образом сохраняет «отпечаток» или «память» исходного растворенного вещества.

    Гомеопатия как лженаука

    В 1985 году покойный французский биолог Жак Бенвенист провел эксперименты, целью которых было показать, что определенный тип клеточного иммунного ответа может быть вызван антииммуноглобулиновым агентом, разбавленным до такой степени, что это маловероятно. что даже одна молекула этого агента осталась в водном растворе.Он интерпретировал это как указание на то, что вода может каким-то образом сохранять впечатление или «память» о растворенном веществе, которое исчезло из существования. Этот результат был немедленно воспринят сторонниками гомеопатии как оправдание их догмы о том, что аналогично разбавленные лекарства могут быть эффективными в качестве альтернативных медицинских средств. Химики сходятся во мнении, что любое временное нарушение структуры воды растворенным агентом исчезнет в течение доли секунды после его удаления путем разбавления из-за сильных тепловых движений молекул воды.Результаты Бенвениста никогда не были убедительно воспроизведены другими учеными (см. Здесь недавнее резюме).

    В 2010 году в отчете британского парламентского комитета правительству было рекомендовано прекратить финансирование и лицензирование гомеопатии.

    Можете ли вы управлять своей машиной по воде?

    Не совсем. Чтобы вода действовала как топливо, должна существовать некоторая комбинация кислорода и водорода, которая энергетически более устойчива, чем H 2 O, и такая молекула неизвестна.

    Этот факт не смог развеять почтенную городскую легенду о том, что какой-то малоизвестный изобретатель открыл способ, позволяющий это сделать, но это изобретение было тайно скуплено нефтяными компаниями, чтобы сохранить свою монополию.

    Чтобы разбить 18 г воды на элементы, требуется 286 кДж энергии. Если позволить кислороду и водороду рекомбинировать, то получится такое же количество энергии обратно в виде тепла. Но чтобы сделать что-нибудь полезное с этим теплом, оно должно быть преобразовано в работу, а второй закон термодинамики ограничивает эффективность этого шага до менее (обычно намного меньше) 100%. Если водород и кислород рекомбинируют в топливном элементе, ограничение Второго закона снимается, но Первый закон по-прежнему ограничивает регенерацию энергии до 100%, и это не учитывает неэффективность при начальном разложении воды. Любая схема разложения воды на водород и кислород требует чистого расхода энергии.

    Однако добавление воды в топливно-воздушную смесь в двигателе внутреннего сгорания, процесс, известный как впрыск воды, использовался в течение многих лет как метод улучшения характеристик как поршневых, так и газотурбинных двигателей. Наборы для впрыска воды широко доступны, многие из них предлагаются торговцами, чей маркетинг (образец) ложно подразумевает, что их продукты позволяют «управлять автомобилем по воде».Не верьте! И получите несколько основательных советов, прежде чем попробовать это на современном двигателе с высокой степенью сжатия с компьютерным управлением.

    Горящая вода

    В 2007 году на YouTube появилось широко цитируемое видео, в котором был показан образец «горения» соленой воды. Это происходит только при наличии сильного радиочастотного поля, которое предположительно диссоциирует воду на H 2 и O 2 . Затем эти два газа рекомбинируются, образуя пламя. Хотя было много неосведомленной шумихи о том, что это своего рода прорыв в качестве источника «энергии из воды», нет никаких оснований полагать, что Первый закон термодинамики был отменен.Если принять во внимание энергию, поставляемую радиочастотным источником, вы можете быть уверены, что нет чистого выигрыша в энергии.

    Фактический механизм процесса остается неясным. Тот факт, что требуется соль или какое-либо другое ионное растворенное вещество, предполагает, что ионы на поверхности воды могут ускоряться в локальном поле, создаваемом плазменным разрядом, помогая разрушать молекулы в водяном паре.

    Но для чего-то на самом деле далеко, мало что может превзойти субкультуру энтузиастов псевдонауки «свободной энергии» и их религиозную одержимость «HHO» (также известную как «газ Брауна»), для которой покойный Стэн Мейер казался гуру.Посмотрите это видео о «водном топливном элементе» Стэна Мейера, который явно нарушает все законы термодинамики! (и посмотрите здесь или здесь, где можно найти компетентное опровержение этой чуши.)

    Список литературы

    Тайна, искусство и наука воды . Этот сайт дает представление о воде во всех аспектах ее воздействия на многие аспекты нашей культуры. Настоятельно рекомендуется.

    Очистка воды — эта страница Википедии охватывает основы очистки и дезинфекции воды.

    Структура и свойства воды — это веб-сайт, разработанный Мартином Чаплином из Университета Саут-Бэнк в Англии. Это научно обоснованный, хорошо продуманный сборник статей о воде и ее структуре, который должен ответить на любые ваши вопросы.

    Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная? Да, это может произойти при правильных условиях. Краткое объяснение, более полное объяснение. См. Также Теплая вода колеблется дольше .

    Специальный отчет по химическому составу воды Национального научного фонда США. Интересное резюме новых работ о воде и ее структуре с некоторыми яркими изображениями.

    «Водяные шары»: химические, каталитические и космические последствия . Эта довольно техническая статья Кейта Джонсона из Массачусетского технологического института исследует квантовую теорию и дальние исследования. спектры скоплений воды и размышляет об их роли в космохимии.

    {Структура идеальной жидкой воды} — хорошо организованный, но довольно технический веб-сайт Грегори Морено.Он включает обширную библиографию научных статей о структуре воды с 1915 по 1992 год.

    Вода на Земле: гидросфера и океаны — этот сайт из предыдущего курса автора по химии окружающей среды представляет собой общий обзор.

    Почему вода голубая? Все дело в растяжении связи O-H! Более технический сайт. См. Также хорошо иллюстрированную статью НАСА Где самый голубой океан ?

    Для более темного обзора воды см. Ban DHMO page

    и наконец…

    Наука рассказывает нам о мире, но искусство помогает нам открывать самих себя . Вот несколько работ, связанных с водой, которыми я хотел бы поделиться:

    Акварель


    Алекс Колвилл — На остров Принца Эдуарда . Работы этого канадского художника «магического реализма» не перестают удивлять. Как путешествие по воде связано с мысленным путешествием женщины? Придет ли она когда-нибудь к месту назначения? Будет ли мужчина, стоящий за ней, частью этого?

    (щелкните изображение, чтобы увеличить его)


    Мечта о Южной Калифорнии — или это миф? Большой всплеск Дэвида Хокни, 1967.

    (щелкните изображение, чтобы увеличить его)


    Джон Биглин в парной монете (1873)
    Томаса Икинса (1844-1916).

    (щелкните изображение, чтобы увеличить его)

    фактов о молекулах воды: структура и свойства — видео и стенограмма урока

    Свойства и структура воды

    Мы думаем о воде как о обычной и знакомой, но химически это одна странная молекула.Большинство химикатов сжимаются и тонут при замерзании, но вода расширяется и плавает. Большинство легких молекул при комнатной температуре представляют собой газы, а вода — жидкость. У него необычно высокая температура кипения, 100 градусов по Цельсию или 212 градусов по Фаренгейту, и точка замерзания, 0 градусов по Цельсию или 32 градуса по Фаренгейту. Вода также растворяет большое количество различных веществ, от твердой поваренной соли до жидкого спирта и, в меньшей степени, таких газов, как кислород и углекислый газ.

    Все эти свойства являются результатом структуры воды.Атом — это наименьшая часть элемента, и он может связываться с другими атомами, образуя молекулу, которая, в свою очередь, является наименьшей частью соединения. Вода — это соединение, и каждая его молекула имеет два атома водорода, связанных с одним атомом кислорода.

    Обратите внимание на изогнутую форму молекулы воды. Все атомы имеют отрицательно заряженные частицы, называемые электронами, вращающиеся вокруг положительно заряженного ядра. Электроны располагаются в оболочках и наиболее стабильны, если спарены, а пары электронов расположены как можно дальше друг от друга.В воде только внешние электроны, находящиеся во внешней оболочке, участвуют в связывании. Один только атом кислорода имеет шесть электронов во внешней оболочке, и каждый атом водорода изначально имеет один. Когда атомы водорода делят свои электроны с двумя электронами внешней оболочки атома кислорода, образуются две связи, по одной между атомом водорода и кислородом.

    Теперь у атома кислорода восемь электронов во внешней оболочке — шесть электронов плюс два от атомов водорода. Это дает две пары склеивания и две пары незакрепленных.Все четыре пары электронов вокруг кислорода занимают место, и наиболее стабильное расположение — это углы тетраэдра , пирамиды с кислородом в центре и четырьмя электронными парами, направленными к четырем углам. В результате молекула воды выглядит изогнутой, с атомами водорода с одной стороны от атома кислорода и неспаренными электронами с другой.

    Кроме того, кислород очень сильно притягивает к себе электроны; химик сказал бы, что электроотрицательно .Атомы водорода, которые гораздо менее электроотрицательны, чем кислород, теряют некоторую электронную плотность по отношению к кислороду, поэтому электрический заряд внутри молекулы становится однобоким. Кислородная сторона воды более отрицательная, а водородная более положительная, образуя диполь , что означает, что молекула положительна с одной стороны и отрицательна с другой, даже если в целом молекула нейтральна. Большинство молекул имеют такие слабые частичные заряды, которые записываются как дельта плюс и дельта минус, но только в воде и некоторых других молекулах частичные заряды такие сильные и фиксированные.Мы говорим, что молекула с постоянным диполем полярна .

    Водородная связь

    Думайте, как молекула воды. Вот и вы, плаваете в стакане с множеством других молекул воды. Частичный отрицательный заряд на вашей кислородной стороне будет притягивать частичные положительные заряды от атомов водорода на других молекулах воды. Частичный положительный заряд на водородной стороне будет притягивать атомы кислорода других молекул воды. Это будет верно и для всех других молекул.В жидкой воде молекулы толкаются и беспорядочно перемещаются, но они также имеют тенденцию прилипать друг к другу, необычно сильное притяжение, называемое водородными связями, которое относится не к водороду, связанному с кислородом внутри каждой молекулы, а скорее к притяжению. частичных зарядов между молекулами.

    Водородная связь объясняет уникальные характеристики воды. Вода остается жидкостью при комнатной температуре, потому что молекулы так сильно притягиваются друг к другу. Вода может поглотить много энергии до того, как ее температура повысится, и требуется много энергии, чтобы разорвать водородные связи, соединяющие молекулу воды с поверхностью жидкой воды, поэтому она медленно испаряется и имеет высокую температуру кипения.Водяной пар в атмосфере сохраняет землю в тепле, потому что молекулы должны были поглотить так много энергии, чтобы в первую очередь стать паром.

    Вода расширяется при замерзании, потому что кристаллы замороженной воды или льда менее плотны, чем сама вода. Частично это связано с водородными связями, а другая часть — с формой воды, которая позволяет формировать упорядоченную открытую решетчатую структуру при замерзании. Тоже хорошая вещь. Многие организмы живут в воде, а ледяной покров зимой позволяет им пережить сильные холода.

    Воду иногда называют универсальным растворителем , потому что она растворяет многие другие вещества. Поваренная соль или хлорид натрия, например, растворяется в воде, потому что несколько молекул воды окружают ион натрия и ион хлорида, отделяя их от кристалла NaCl. Любое вещество с диполем будет хотя бы немного растворяться в воде из-за водородных связей.

    Краткое содержание урока

    Воды много, она полезна и необходима. Свойства воды обусловлены ее молекулярной структурой: два атома водорода связаны с одним атомом кислорода.Электроны объединяются в пары и могут быть разделены между атомами. В молекуле воды во внешней оболочке всего четыре пары электронов: две неподеленные пары и две пары, которые связывают каждый атом водорода с атомом кислорода.

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *