هيكل جزيئات الماء وروابطها وخصائصها. تأثير التأثيرات الفيزيائية الخارجية على جزيئات الماء؟ الماء: تركيبه ، تركيبته الجزيئية ، خواصه الفيزيائية

دكتوراه. O.V. Mosin

جزيء الماء عبارة عن ثنائي أقطاب صغير يحتوي على شحنات موجبة وسالبة في القطبين. نظرًا لأن كتلة وشحنة نواة الأكسجين أكبر من نواة الهيدروجين ، فإن سحابة الإلكترون تتقلص نحو نواة الأكسجين. في هذه الحالة ، تكون نوى الهيدروجين "عارية". وبالتالي ، فإن سحابة الإلكترون لها كثافة غير منتظمة. يوجد بالقرب من نواة الهيدروجين نقص في كثافة الإلكترون ، وعلى الجانب الآخر من الجزيء ، بالقرب من نواة الأكسجين ، هناك زيادة في كثافة الإلكترون. هذه البنية هي التي تحدد قطبية جزيء الماء. إذا قمت بتوصيل بؤري الشحنات الموجبة والسالبة بخطوط مستقيمة ، فستحصل على حجم الشكل الهندسيهو رباعي الوجوه منتظم.

هيكل جزيء الماء (الشكل على اليمين)

نظرًا لوجود روابط هيدروجينية ، فإن كل جزيء ماء يشكل رابطة هيدروجينية مع 4 جزيئات مجاورة ، مما يشكل إطارًا شبكيًا مفتوحًا في جزيء الجليد. ومع ذلك ، في حالته السائلة ، يكون الماء سائلًا غير منظم ؛ هذه الروابط الهيدروجينية عفوية ، قصيرة العمر ، تنكسر وتتشكل مرة أخرى. كل هذا يؤدي إلى عدم التجانس في بنية الماء.

الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء (الصورة أدناه على اليسار)

تم تأسيس حقيقة أن الماء غير متجانس في تركيبته منذ فترة طويلة. من المعروف منذ فترة طويلة أن الجليد يطفو على سطح الماء ، أي أن كثافة الجليد البلوري أقل من كثافة السائل.

في جميع المواد الأخرى تقريبًا ، تكون البلورة أكثر كثافة من المرحلة السائلة. بالإضافة إلى ذلك ، حتى بعد الذوبان ، مع ارتفاع درجة الحرارة ، تستمر كثافة الماء في الزيادة وتصل إلى الحد الأقصى عند 4 درجات مئوية. أقل شهرة هو الشذوذ في انضغاطية الماء: عند تسخينه من نقطة الانصهار حتى 40 درجة مئوية ، يتناقص ثم يزداد. تعتمد السعة الحرارية للماء أيضًا على درجة الحرارة بشكل غير رتيب.

بالإضافة إلى ذلك ، عند درجات حرارة أقل من 30 درجة مئوية ، مع زيادة الضغط من الغلاف الجوي إلى 0.2 جيجا باسكال ، تنخفض لزوجة الماء ، ومعامل الانتشار الذاتي - وهو عامل يحدد سرعة حركة جزيئات الماء بالنسبة لبعضها البعض - يزيد.

بالنسبة للسوائل الأخرى ، يكون الاعتماد معكوسًا ، ولا يحدث أبدًا أن تتصرف بعض المعلمات المهمة بطريقة غير رتيبة ، أي أولاً ، وبعد تجاوز القيمة الحرجة لدرجة الحرارة أو الضغط تنخفض. كان هناك افتراض أن الماء في الواقع ليس سائلًا واحدًا ، ولكنه خليط من مكونين يختلفان في الخصائص ، مثل الكثافة واللزوجة ، وبالتالي في البنية. بدأت مثل هذه الأفكار في الظهور في نهاية القرن التاسع عشر ، عندما تراكمت الكثير من البيانات حول شذوذ المياه.

تم اقتراح فكرة أن الماء يتكون من مكونين لأول مرة من قبل وايتنج في عام 1884. اقتبس تأليفها من قبل E.F. فريتسمان في دراسة "طبيعة الماء. ماء ثقيل "، نُشر عام 1935. في عام 1891 ، قدم دبليو رينجتن مفهوم حالتين من الماء تختلفان في كثافتهما. بعد ذلك ، ظهرت العديد من الأعمال التي كان يعتبر فيها الماء مزيجًا من العناصر الزميلة ذات التركيبات المختلفة ("hydrols").

عندما تم تحديد بنية الجليد في عشرينيات القرن الماضي ، اتضح أن جزيئات الماء في الحالة البلورية تشكل شبكة متصلة ثلاثية الأبعاد ، حيث يكون لكل جزيء أربعة جيران أقرب يقعون عند رؤوس رباعي السطوح المنتظم. في عام 1933 ، اقترح كل من J. Bernal و P. Fowler وجود شبكة مماثلة أيضًا في الماء السائل. نظرًا لأن الماء أكثر كثافة من الجليد ، فقد اعتقدوا أن الجزيئات الموجودة فيه ليست مثل الجليد ، أي ، مثل ذرات السيليكون في التريديميت المعدني ، ولكن مثل ذرات السيليكون في تعديل أكثر كثافة للسيليكا - الكوارتز. تم تفسير الزيادة في كثافة الماء عند التسخين من 0 إلى 4 درجات مئوية من خلال وجود مكون ثلاثي الأبعاد في درجات حرارة منخفضة. وهكذا ، احتفظ نموذج برنال فاولر بعنصر البنية الثنائية ، لكن إنجازهم الرئيسي هو فكرة وجود شبكة رباعية السطوح مستمرة. ثم ظهر القول المأثور لـ I.Langmuir: "المحيط جزيء كبير". لم يضيف التجسيد المفرط للنموذج مؤيدين لنظرية الشبكة الموحدة.

في عام 1951 فقط ، أنشأ جيه بوبل نموذجًا شبكيًا مستمرًا ، والذي لم يكن محددًا مثل نموذج برنال فاولر. تخيل بوبل الماء على أنه شبكة عشوائية رباعية السطوح ، حيث تكون الروابط بين الجزيئات منحنية ولها أطوال مختلفة. يوضح نموذج Popl تكثيف الماء أثناء الذوبان عن طريق ثني الروابط. عندما ظهرت التعريفات الأولى لهيكل الجليد الثاني والتاسع في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي ، أصبح من الواضح كيف يمكن أن يؤدي ثني الروابط إلى ضغط الهيكل. لم يستطع نموذج بوبل تفسير عدم رتابة اعتماد خصائص الماء على درجة الحرارة والضغط بالإضافة إلى نماذج الدولتين. لذلك ، فإن فكرة الدولتين كانت مشتركة بين العديد من العلماء لفترة طويلة.

ولكن في النصف الثاني من القرن العشرين ، كان من المستحيل تخيل تكوين وهيكل "الهيدرولز" بقدر ما كان يتخيله في بداية القرن. كان معروفًا بالفعل كيف يتم ترتيب الجليد والهيدرات البلورية ، وكانوا يعرفون الكثير عن الروابط الهيدروجينية. بالإضافة إلى نماذج "الاستمرارية" (نموذج بوبل) ، نشأت مجموعتان من النماذج "المختلطة": الكتلة والكلاثرات. في المجموعة الأولى ، ظهر الماء كمجموعات جزيئات مرتبطة بروابط هيدروجينية ، تطفو في بحر من الجزيئات التي لا تشارك في مثل هذه الروابط. اعتبرت نماذج المجموعة الثانية الماء على أنه شبكة مستمرة (تسمى عادةً إطارًا في هذا السياق) من الروابط الهيدروجينية التي تحتوي على فراغات ؛ تحتوي على جزيئات لا تشكل روابط مع جزيئات الهيكل. لم يكن من الصعب اختيار مثل هذه الخصائص والتركيزات من طورين ميكرويين من نماذج الكتلة أو خصائص الإطار ودرجة ملء فراغاته في نماذج clathrate لشرح جميع خصائص الماء ، بما في ذلك الشذوذ الشهير.

من بين النماذج العنقودية ، كان النموذج الأكثر لفتًا للنظر هو نموذج G.Nemethy و H. Sheragi: صورهم ، التي تصور مجموعات من الجزيئات المربوطة تطفو في بحر من الجزيئات غير المنضمة ، تم تضمينها في العديد من الدراسات.

تم اقتراح النموذج الأول من نوع clathrate في عام 1946 بواسطة O.Ya. Samoilov: شبكة من الروابط الهيدروجينية تشبه الجليد السداسي محفوظة في الماء ، تمتلئ تجاويفها جزئيًا بجزيئات أحادية. أنشأ L.Puling في عام 1959 نسخة أخرى ، مما يشير إلى أن شبكة الروابط المتأصلة في بعض الهيدرات البلورية يمكن أن تكون بمثابة أساس للهيكل.

خلال النصف الثاني من الستينيات وبداية السبعينيات ، لوحظ تقارب في كل هذه الآراء. ظهرت متغيرات من النماذج العنقودية ، حيث ترتبط الجزيئات في كلا الطورين الدقيقين بواسطة روابط هيدروجينية. بدأ مؤيدو نماذج clathrate في السماح بتكوين روابط هيدروجينية بين جزيئات الفراغ والإطار. وهذا يعني ، في الواقع ، أن مؤلفي هذه النماذج يعتبرون الماء شبكة مستمرة من الروابط الهيدروجينية. ونحن نتحدث عن مدى عدم تجانس هذه الشبكة (على سبيل المثال ، في الكثافة). تم وضع حد لفكرة الماء كعناقيد مرتبطة بالهيدروجين تطفو في بحر من جزيئات الماء الخالية من الروابط في أوائل الثمانينيات ، عندما طبق جي ستانلي نظرية الترشيح على نموذج الماء ، الذي يصف المرحلة تحولات الماء.

في عام 1999 ، قام باحث المياه الروسي الشهير S.V. دافع زينين عن أطروحة الدكتوراه الخاصة به حول نظرية الكتلة في معهد المشكلات الطبية الحيوية التابع للأكاديمية الروسية للعلوم ، والتي كانت خطوة مهمة في تعزيز هذا المجال من البحث ، والذي تم تعزيز تعقيده من خلال حقيقة وجودهم في تقاطع ثلاثة علوم: الفيزياء والكيمياء وعلم الأحياء. بناءً على البيانات التي تم الحصول عليها من خلال ثلاث طرق فيزيائية كيميائية: قياس الانكسار (S.V. Zenin ، B.V. Tyaglov ، 1994) ، كروماتوجرافيا السائل عالية الأداء (S.V. Zenin et al. ، 1998) والرنين المغناطيسي للبروتون (CV Zenin ، 1993) أثبت نموذجًا هندسيًا للتكوين الهيكلي الرئيسي المستقر لجزيئات الماء (الماء المهيكل) ، ثم (S.V. Zenin ، 2004) تم الحصول على صورة باستخدام مجهر تباين الطور لهذه الهياكل.

لقد أثبت العلم الآن أن ميزات الخصائص الفيزيائية للماء والعديد من الروابط الهيدروجينية قصيرة العمر بين ذرات الهيدروجين والأكسجين المجاورة في جزيء الماء تخلق فرصًا مواتية لتشكيل هياكل مرتبطة خاصة (مجموعات) التي تدرك وتخزن وتنقل مجموعة متنوعة من المعلومات.

الوحدة الهيكلية لمثل هذه المياه عبارة عن كتلة تتكون من clathrates ، يتم تحديد طبيعتها بواسطة قوى كولوم طويلة المدى. يقوم هيكل المجموعات بترميز المعلومات حول التفاعلات التي حدثت مع جزيئات الماء هذه. في التجمعات المائية ، بسبب التفاعل بين الروابط التساهمية والهيدروجينية بين ذرات الأكسجين وذرات الهيدروجين ، يمكن أن تحدث هجرة البروتون (H +) وفقًا لآلية الترحيل ، مما يؤدي إلى إلغاء تمركز البروتون داخل الكتلة.

تشكل المياه ، التي تتكون من العديد من المجموعات من أنواع مختلفة ، بنية بلورية سائلة هرمية مكانية يمكنها إدراك وتخزين كميات هائلة من المعلومات.

يوضح الشكل (V.L. Voeikov) مخططات للعديد من الهياكل العنقودية البسيطة كمثال.

بعض الهياكل الممكنة لتجمعات المياه

يمكن أن تكون ناقلات المعلومات مجالات مادية ذات طبيعة مختلفة. وبالتالي ، تم إنشاء إمكانية تفاعل المعلومات عن بُعد للبنية البلورية السائلة للماء مع أشياء ذات طبيعة مختلفة بمساعدة المجالات الكهرومغناطيسية والصوتية وغيرها. يمكن أن يكون الشخص أيضًا كائنًا مؤثرًا.

الماء مصدر للإشعاع الكهرومغناطيسي المتناوب شديد الضعف والضعف. يتم إنشاء أقل إشعاع كهرومغناطيسي فوضوية بواسطة المياه المهيكلة. في هذه الحالة ، يمكن أن يحدث تحريض المجال الكهرومغناطيسي المقابل ، مما يغير الخصائص الهيكلية والمعلوماتية للأجسام البيولوجية.

في السنوات الأخيرة ، تم الحصول على بيانات مهمة حول خصائص المياه فائقة التبريد. من المثير للاهتمام دراسة الماء عند درجة حرارة منخفضة ، لأنه يمكن أن يكون أكثر برودة من السوائل الأخرى. يبدأ تبلور الماء ، كقاعدة عامة ، في بعض عدم التجانس - إما على جدران الوعاء ، أو على جزيئات عائمة من الشوائب الصلبة. لذلك ، ليس من السهل العثور على درجة الحرارة التي يتبلور عندها الماء فائق التبريد تلقائيًا. لكن العلماء تمكنوا من القيام بذلك ، والآن تُعرف درجة حرارة ما يسمى بالتنوي المتجانس ، عندما يحدث تكوين بلورات الجليد في وقت واحد في جميع أنحاء الحجم ، بضغوط تصل إلى 0.3 جيجا باسكال ، أي التقاط مناطق وجود الجليد II.

من الضغط الجوي إلى الحدود الفاصلة بين الجليدين الأول والثاني ، تنخفض درجة الحرارة هذه من 231 إلى 180 كلفن ، ثم تزداد قليلاً إلى 190 كلفن. تحت هذه درجة الحرارة الحرجة ، الماء السائل مستحيل من حيث المبدأ.

هيكل الجليد (الصورة على اليمين)

ومع ذلك ، هناك لغز واحد مرتبط بدرجة الحرارة هذه. في منتصف الثمانينيات ، تم اكتشاف تعديل جديد للجليد غير المتبلور - جليد عالي الكثافة ، وهذا ساعد على إحياء فكرة الماء كمزيج من حالتين. كنماذج أولية ، لم يتم النظر في الهياكل البلورية ، ولكن تم النظر في هياكل من الجليد غير المتبلور بكثافات مختلفة. في الشكل الأكثر وضوحًا ، تمت صياغة هذا المفهوم بواسطة E.G. بوناتوسكي وف. Sinitsin ، الذي كتب في عام 1999: "يعتبر الماء حلاً منتظمًا من مكونين ، التكوينات المحلية التي تتوافق مع الترتيب قصير المدى لتعديلات الجليد غير المتبلور." علاوة على ذلك ، من خلال دراسة الترتيب قصير المدى في الماء فائق التبريد عند الضغط العالي باستخدام طرق الحيود النيوتروني ، تمكن العلماء من العثور على المكونات المقابلة لهذه الهياكل.

نتيجة لتعدد الأشكال للجليد غير المتبلور ، كانت هناك أيضًا افتراضات حول تقسيم الماء إلى مكونين غير قابلين للمزج عند درجة حرارة أقل من النقطة الحرجة الافتراضية ذات درجة الحرارة المنخفضة. لسوء الحظ ، وفقًا للباحثين ، فإن درجة الحرارة هذه عند ضغط 0.017 جيجا باسكال هي 230 كلفن ، وهي أقل من درجة حرارة التنوي ، لذلك لم يتمكن أحد حتى الآن من ملاحظة فصل الماء السائل. وهكذا ، أثار إحياء نموذج الدولتين مسألة عدم تجانس شبكة الروابط الهيدروجينية في الماء السائل. لا يمكن فهم عدم التجانس هذا إلا بمساعدة المحاكاة الحاسوبية.

عند الحديث عن التركيب البلوري للمياه ، تجدر الإشارة إلى أن 14 تعديلات الجليد, معظمها غير موجود في الطبيعة ، حيث تحتفظ جزيئات الماء بشخصيتها وترتبط ببعضها البعض بواسطة روابط هيدروجينية. من ناحية أخرى ، هناك العديد من المتغيرات لشبكة الروابط الهيدروجينية في هيدرات clathrate. طاقات هذه الشبكات (الجليد عالي الضغط وهيدرات الكلاترات) ليست أعلى بكثير من طاقات الجليد المكعب والسداسي. لذلك ، يمكن أن تظهر أجزاء من هذه الهياكل أيضًا في الماء السائل. من الممكن تصميم عدد لا يحصى من الشظايا غير الدورية المختلفة ، حيث تحتوي الجزيئات على أربعة أقرب جيران تقع تقريبًا على طول رؤوس رباعي الوجوه ، لكن هيكلها لا يتوافق مع هياكل التعديلات المعروفة للجليد. أظهرت العديد من الحسابات أن طاقات تفاعل الجزيئات في مثل هذه الأجزاء ستكون قريبة من بعضها البعض ، ولا يوجد سبب للقول بأن بعض الهياكل يجب أن تسود في الماء السائل.

يمكن دراسة الدراسات الإنشائية للمياه بطرق مختلفة ؛مطيافية الرنين المغناطيسي للبروتون ، مطيافية الأشعة تحت الحمراء ، حيود الأشعة السينية ، إلخ. على سبيل المثال ، تمت دراسة حيود الأشعة السينية والنيوترون في الماء عدة مرات. ومع ذلك ، لا يمكن لهذه التجارب إعطاء معلومات مفصلة حول الهيكل. يمكن رؤية عدم التجانس المتفاوت في الكثافة من الأشعة السينية ذات الزاوية الصغيرة وتشتت النيوترونات ، ولكن مثل عدم التجانس يجب أن يكون كبيرًا ، ويتألف من مئات جزيئات الماء. سيكون من الممكن رؤيتهم والتحقيق في تشتت الضوء. ومع ذلك ، فإن الماء سائل صافٍ للغاية. النتيجة الوحيدة لتجارب الحيود هي وظائف التوزيع الشعاعي ، أي المسافات بين ذرات الأكسجين والهيدروجين والأكسجين والهيدروجين. يمكن أن نرى منهم أنه لا يوجد ترتيب بعيد المدى في ترتيب جزيئات الماء. تتحلل هذه الوظائف في الماء بشكل أسرع بكثير من معظم السوائل الأخرى. على سبيل المثال ، توزيع المسافات بين ذرات الأكسجين عند درجة حرارة قريبة من درجة حرارة الغرفة يعطي فقط ثلاثة درجات قصوى ، عند 2.8 و 4.5 و 6.7 درجة مئوية. الحد الأقصى الأول يتوافق مع المسافة إلى أقرب الجيران ، وقيمته تساوي تقريبًا طول رابطة الهيدروجين. الحد الأقصى الثاني قريب من متوسط ​​طول حافة رباعي الوجوه - تذكر أن جزيئات الماء في الجليد السداسي تقع عند رؤوس رباعي السطوح حول الجزيء المركزي. والحد الأقصى الثالث ، معبرًا عنه بشكل ضعيف جدًا ، يتوافق مع المسافة إلى الجيران الثالث والأبعد في شبكة الهيدروجين. هذا الحد الأقصى بحد ذاته ليس ساطعًا جدًا ، ولا داعي للحديث عن المزيد من القمم. كانت هناك محاولات للحصول على معلومات أكثر تفصيلا من هذه التوزيعات. لذلك في عام 1969 ، قام إ. أندريانوف و آي. وجد فيشر المسافات حتى الجار الثامن ، بينما اتضح أنها 3 للجار الخامس ، و 3.1 للجار السادس. هذا يسمح بعمل بيانات عن البيئة البعيدة لجزيئات الماء.

طريقة أخرى لدراسة التركيب - حيود النيوترون على بلورات الماء يتم تنفيذه تمامًا بنفس طريقة حيود الأشعة السينية. ومع ذلك ، نظرًا لحقيقة أن أطوال تشتت النيوترونات لا تختلف كثيرًا بالنسبة للذرات المختلفة ، فإن طريقة الاستبدال المتماثل تصبح غير مقبولة. من الناحية العملية ، عادةً ما يعمل المرء مع بلورة تم تحديد هيكلها الجزيئي بالفعل تقريبًا بواسطة طرق أخرى. ثم يتم قياس شدة حيود النيوترون لهذه البلورة. بناءً على هذه النتائج ، يتم إجراء تحويل فورييه ، يتم خلاله استخدام شدة النيوترونات المقاسة والمراحل ، محسوبة مع الأخذ في الاعتبار الذرات غير الهيدروجينية ، أي ذرات الأكسجين التي يُعرف موقعها في نموذج الهيكل. ثم ، على خريطة فورييه التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة ، يتم تمثيل ذرات الهيدروجين والديوتيريوم بالكثير أوزان كبيرةمن خريطة كثافة الإلكترون ، لأن إن مساهمة هذه الذرات في تشتت النيوترونات كبيرة جدًا. من خريطة الكثافة هذه ، يمكن للمرء ، على سبيل المثال ، تحديد مواقع ذرات الهيدروجين (كثافة سالبة) وذرات الديوتيريوم (كثافة موجبة).

من الممكن تغيير هذه الطريقة ، والذي يتمثل في حقيقة أن البلورة المتكونة في الماء يتم الاحتفاظ بها في ماء ثقيل قبل القياسات. في هذه الحالة ، لا يجعل حيود النيوترون من الممكن تحديد مكان وجود ذرات الهيدروجين فحسب ، بل يكشف أيضًا عن تلك التي يمكن استبدالها بالديوتيريوم ، وهو أمر مهم بشكل خاص في دراسة تبادل النظائر (H-D). تساعد هذه المعلومات في تأكيد صحة إنشاء الهيكل.

تتيح الطرق الأخرى أيضًا دراسة ديناميات جزيئات الماء. هذه تجارب على تشتت النيوترونات شبه المرنة ، والتحليل الطيفي فائق السرعة للأشعة تحت الحمراء ودراسة انتشار الماء باستخدام الرنين المغناطيسي النووي أو ذرات الديوتيريوم المسمى. تعتمد طريقة التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي على حقيقة أن نواة ذرة الهيدروجين لها لحظة مغناطيسية - دوران يتفاعل مع المجالات المغناطيسية ، ثابت ومتغير. من طيف الرنين المغناطيسي النووي ، يمكن للمرء أن يحكم على البيئة التي توجد فيها هذه الذرات والنوى ، وبالتالي الحصول على معلومات حول بنية الجزيء.

نتيجة للتجارب التي أجريت على تشتت النيوترونات شبه المرنة في بلورات الماء ، تم قياس أهم عامل ، وهو معامل الانتشار الذاتي ، عند ضغوط ودرجات حرارة مختلفة. من أجل الحكم على معامل الانتشار الذاتي من التشتت شبه المرن للنيوترونات ، من الضروري وضع افتراض حول طبيعة الحركة الجزيئية. إذا انتقلوا وفقًا لـ Ya.I. Frenkel (عالم فيزيائي نظري محلي معروف ومؤلف كتاب The Kinetic Theory of Fluids ، وهو كتاب كلاسيكي مترجم إلى العديد من اللغات) ، ويسمى أيضًا نموذج الانتظار السريع ، ثم وقت الحياة "المستقرة" (الوقت بين القفزات) للجزيء 3.2 بيكو ثانية. جعلت أحدث طرق التحليل الطيفي بالليزر فيمتوثانية من الممكن تقدير عمر الرابطة الهيدروجينية المكسورة: يستغرق البروتون 200 fs للعثور على شريك. ومع ذلك ، فهذه كلها متوسطات. لا يمكن دراسة تفاصيل بنية وطبيعة حركة جزيئات الماء إلا بمساعدة محاكاة الكمبيوتر ، والتي تسمى أحيانًا تجربة عددية.

هكذا تبدو بنية الماء وفقًا لنتائج محاكاة الكمبيوتر (وفقًا لبيانات دكتور العلوم الكيميائية G.G.Malenkov). يمكن تقسيم البنية العامة المضطربة إلى نوعين من المناطق (تظهر بالكرات المظلمة والخفيفة) ، والتي تختلف في بنيتها ، على سبيل المثال ، في حجم Voronoi متعدد السطوح (أ) ، ودرجة رباعي السطوح في أقرب بيئة ( ب) ، قيمة الطاقة الكامنة (ج) ، وكذلك في وجود أربعة روابط هيدروجينية في كل جزيء (د). ومع ذلك ، فإن هذه المناطق حرفيًا في لحظة ، بعد بضع بيكو ثانية ، ستغير موقعها.

تتم المحاكاة على هذا النحو. يتم أخذ هيكل الجليد وتسخينه حتى يذوب. ثم ، بعد مرور بعض الوقت حتى "ينسى" الماء الأصل البلوري ، يتم أخذ صورة مجهرية فورية.

لتحليل هيكل الماء ، يتم تحديد ثلاثة معلمات:
- درجة انحراف البيئة المحلية للجزيء عن رؤوس رباعي السطوح المنتظم ؛
- الطاقة الكامنة للجزيئات.
هو حجم ما يسمى فورونوي متعدد السطوح.

لبناء هذا متعدد السطوح ، يأخذ المرء حافة من الجزيء المعطى إلى أقرب واحد ، ويقسمه إلى نصفين ، ويرسم مستوى عموديًا على الحافة من خلال هذه النقطة. هذا هو الحجم لكل جزيء. حجم متعدد السطوح هو الكثافة ، رباعي السطوح هو درجة تشويه الروابط الهيدروجينية ، والطاقة هي درجة استقرار تكوين الجزيئات. تميل الجزيئات ذات القيم القريبة لكل من هذه المعلمات إلى التجمع معًا في مجموعات منفصلة. المناطق ذات الكثافة المنخفضة والعالية لها قيم مختلفةالطاقة ، ولكن يمكن أن يكون لها نفس القيم. أظهرت التجارب أن المناطق ذات الهياكل والعناقيد المختلفة تنشأ تلقائيًا وتتحلل تلقائيًا. يعيش هيكل الماء بالكامل ويتغير باستمرار ، والوقت الذي تحدث فيه هذه التغييرات صغير جدًا. تابع الباحثون حركات الجزيئات ووجدوا أنها تحدث اهتزازات غير منتظمة بتردد حوالي 0.5 ps وسعة 1 أنغستروم. كما لوحظت قفزات بطيئة نادرة في الأنجستروم ، والتي تدوم البيكو ثانية. بشكل عام ، في 30 ps يمكن للجزيء أن يتحرك 8-10 أنجستروم. عمر البيئة المحلية صغير أيضًا. المناطق المكونة من جزيئات ذات قيم قريبة من حجم Voronoi متعدد السطوح يمكن أن تتحلل في 0.5 ps ، ويمكن أن تعيش لعدة بيكو ثانية. لكن توزيع أعمار الروابط الهيدروجينية كبير جدًا. لكن هذه المرة لا تتجاوز 40 ps ، ومتوسط ​​القيمة عدة ps.

في الختام ، ينبغي التأكيد على أن تنطوي نظرية التركيب العنقودي للمياه على العديد من المزالق.على سبيل المثال ، يقترح زينين أن العنصر الهيكلي الرئيسي للماء هو مجموعة مكونة من 57 جزيءًا تشكلت عن طريق اندماج أربعة ثنائيات وجهية. لديهم وجوه مشتركة ، ومراكزهم تشكل رباعي الوجوه منتظم. حقيقة أن جزيئات الماء يمكن أن توجد في رؤوس اثني عشر وجهًا خماسيًا معروفة منذ زمن طويل ؛ مثل هذا ثنائي الوجوه هو أساس هيدرات الغاز. لذلك ، ليس هناك ما يدعو للدهشة في افتراض وجود مثل هذه الهياكل في الماء ، على الرغم من أنه قد قيل بالفعل أنه لا توجد بنية معينة يمكن أن تكون مهيمنة وتوجد لفترة طويلة. لذلك ، من الغريب أن يُفترض أن هذا العنصر هو العنصر الرئيسي وأن 57 جزيءًا بالضبط تدخل فيه. من الكرات ، على سبيل المثال ، من الممكن تجميع نفس الهياكل التي تتكون من dodecahedrons المتاخمة لبعضها البعض وتحتوي على 200 جزيء. من ناحية أخرى ، يدعي زينين أن عملية البلمرة ثلاثية الأبعاد للماء تتوقف عند 57 جزيء. أكبر الزملاء ، في رأيه ، لا ينبغي أن يكون. ومع ذلك ، إذا كان الأمر كذلك ، فإن بلورات الجليد السداسية ، التي تحتوي على عدد كبير من الجزيئات المرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط هيدروجينية ، لا يمكن أن تترسب من بخار الماء. من غير الواضح تمامًا سبب توقف نمو مجموعة Zenin عند 57 جزيءًا. لتجنب التناقضات ، يقوم Zenin أيضًا بتجميع المجموعات في تشكيلات أكثر تعقيدًا - معينات - من ما يقرب من ألف جزيء ، ولا تشكل المجموعات الأولية روابط هيدروجينية مع بعضها البعض. لماذا ا؟ كيف تختلف الجزيئات الموجودة على سطحها عن تلك الموجودة في الداخل؟ وفقًا لـ Zenin ، فإن نمط مجموعات الهيدروكسيل على سطح المعينات يوفر ذاكرة الماء. وبالتالي ، فإن جزيئات الماء في هذه المجمعات الكبيرة ثابتة بشكل صارم ، والمجمعات نفسها صلبة. لن تتدفق مثل هذه المياه ، ويجب أن تكون درجة انصهارها ، المرتبطة بالوزن الجزيئي ، عالية جدًا.

ما هي خصائص الماء التي يشرحها نموذج Zenin؟ نظرًا لأن النموذج يعتمد على هياكل رباعية السطوح ، فيمكن أن يكون متسقًا إلى حد ما مع بيانات الأشعة السينية وحيود النيوترونات. ومع ذلك ، فمن غير المرجح أن يفسر النموذج الانخفاض في الكثافة أثناء الذوبان - فالتعبئة تكون أقل كثافة من الجليد. ولكن من الصعب الاتفاق مع نموذج بخصائص ديناميكية - السيولة ، وقيمة كبيرة لمعامل الانتشار الذاتي ، والارتباط القصير ، وأوقات الاسترخاء العازلة ، والتي تُقاس بالبكو ثانية.

دكتوراه. O.V. Mosin

مراجع:
ج. مالينكوف. التطورات في الكيمياء الفيزيائية ، 2001
S.V. Zenin، B.M. بولانوير ، ب. تياجلوف. دليل تجريبي على وجود كسور مائية. G. الطب المثلي والوخز بالإبر. 1997. رقم 2. ص 42-46.
S.V. Zenin، B.V. تياجلوف. نموذج مسعور لهيكل شركاء جزيئات الماء. Zh.Phys.chemistry.1994.T.68.No.4.S.636-641.
S.V. Zenin التحقيق في بنية الماء بطريقة البروتون بالرنين المغناطيسي. Dokl.RAN.1993.T.332.No.3.S328-329.
SV زينين ، بي في تاياغلوف. طبيعة التفاعل الكارهة للماء. وجود مجالات توجيهية في المحاليل المائية. ياء الكيمياء 1994.T.68 رقم 3.S.500-503.
S.V. Zenin، B.V. تياجلوف ، ج.ب. سيرجيف ، ز. شباروفا. دراسة التفاعلات الجزيئية في أميدات النوكليوتيدات بواسطة الرنين المغناطيسي النووي. مواد المؤتمر الثاني لعموم الاتحاد. بالديناميكية الكيمياء المجسمة. أوديسا 1975 ، ص 53.
S.V. زينين. الحالة المهيكلة للمياه كأساس لإدارة سلوك وسلامة الأنظمة الحية. فرضية. دكتوراه في العلوم البيولوجية. المركز العلمي الحكومي "معهد المشاكل الطبية الحيوية" (SSC "IMBP"). دافع عنه 1999. 05. 27. UDC 577.32: 57.089.001.66.207 ص.
في و. سليساريف. تقرير تقدم البحث

ماء - مادة غير عضوية، التي تتكون جزيئاتها من ذرتين هيدروجين وذرة أكسجين.كمية الماء ليست هي نفسها في الكائنات الحية المختلفة. تحتوي معظم المياه على جسم قنديل البحر (95-98٪) ، الطحالب (أكثر من 80٪) ، أقلها في الحشرات (40-50٪) ، الحزاز (5-7٪). في جسم الثدييات ، في المتوسط ​​، 75٪ من الماء ، بما في ذلك البشر - 60-65٪ من وزن الجسم. تختلف كمية الماء في الأنسجة والأعضاء المختلفة لنفس الكائن الحي. على سبيل المثال ، في البشر ، يكون محتوى الماء في الأنسجة والأعضاء كما يلي: الدم (83.0٪) ، الكلى (82.7٪) ، القلب (79.2٪) ، الرئتان (79.0٪) ، العضلات (75 6٪) ، الدماغ ( 74.8٪ ، الجلد (72.0٪) ، الهيكل العظمي (22.0٪) ، الأنسجة الدهنية (10.0٪).

يوجد معظم الماء (70٪ من الحجم) في خلايا الجسم بشكل حر ومربوط ، ويتحرك جزء أصغر (30٪ من الحجم) في الفضاء خارج الخلية ويكون في حالة حرة. المياه المربوطة(4 5٪) مرتبط تناضحيًا (ماء في روابط مع أيونات ومركبات منخفضة الوزن الجزيئي) ، مرتبطًا غروانيًا (ماء في روابط مع كل من المجموعات الكيميائية الداخلية والسطحية للمركبات ذات الوزن الجزيئي العالي) ومرتبط هيكليًا (الماء في مساحة مغلقة من البوليمرات الحيوية عالية الوزن الجزيئي ذات البنية المعقدة). المياه مجانا(95-96٪) مذيب عالمي.

قيمة الماء . من الناحية الكمية ، يحتل الماء المرتبة الأولى بين المركبات الكيميائية لأي خلية. وجود الماء شرط أساسي لحياة الكائنات الحية. ما هي الوظائف التي تؤديها هذه المادة الأكثر شيوعًا على الأرض في النظم الحيوية؟

الماء هو المذيب الشاملللمركبات الأيونية والعديد من المركبات التساهمية ، يضمن تدفق التفاعلات الكيميائية ، ونقل المواد داخل وخارج الخلية.

ماء - كاشفبالمشاركة التي تحدث تفاعلات التحلل المائي والترطيب ، تفاعلات الأكسدة والاختزال والحمض القاعدي في الخلايا.

ماء - منظم الحرارةيحافظ على النظام الحراري الأمثل للكائنات ويضمن توزيعًا موحدًا للحرارة في الأنظمة الحية.

ماء - منظم التناضح ،الذي يوفر شكل الخلايا ، النقل ليس كذلك المواد العضوية.

ماء - الدعم،يوفر حالة مرنة من الخلايا (تورغور) ، يعمل كممتص للصدمات من التأثيرات الميكانيكية على الجسم ، ويؤدي وظيفة الهيكل المائي في العديد من الحيوانات.

ماء - وسائل النقل،يقوم بالاتصال في الخلايا ، بين الخلايا والأنسجة والأعضاء ويضمن التوازن وعمل الجسم ككل.

ماء - موطنبالنسبة للكائنات المائية ، تتم فيها الحركة السلبية والتخصيب الخارجي وتشتيت البذور والأشجار والمراحل اليرقية للكائنات الأرضية.

ماء - المطابقله أهمية كبيرة في تنظيم الهيكل المكاني (التشكل) للبوليمرات الحيوية.

خصائص المياه. يتم تحديد دور الماء في النظم الحيوية من خلال خصائصه الفيزيائية والكيميائية.

■ تتميز المياه النقية بالشفافية وقلة الطعم واللون والرائحة. تحتوي المياه الطبيعية دائمًا على شوائب مختلفة: مواد مذابة على شكل أيونات ، مواد غير منحلة على شكل معلق. الماء هو المادة الوحيدة على الأرض التي تحدث بشكل متزامن وبكميات كبيرة في الحالات السائلة والصلبة والغازية.

■ تكون كثافة الماء عند 4 درجات مئوية بحد أقصى 1 جم / سم 3. مع انخفاض درجة الحرارة ، تنخفض الكثافة ، لذلك يطفو الجليد على سطح الماء.

■ يحتوي الماء على حرارة نوعية عالية بشكل غير طبيعي (4.17 J / GC) ، وحرارة التبخر (عند 100 درجة مئوية - 2253 جول / جم) ، وحرارة الذوبان (عند 0 درجة مئوية - 333.98 جول / جم).

■ يتمتع الماء بتوتر سطحي مرتفع بشكل استثنائي بسبب قوى التماسك (التماسك) القوية المرتبطة بتكوين روابط هيدروجينية بين الجزيئات.

■ للمياه خاصية مميزةالالتصاق ، والذي يتجلى في حالة رفعه مقابل قوى الجاذبية.

■ يتميز الماء في حالته السائلة بالسيولة وعدم الانضغاط مما يسبب الظواهر التنافذو تورغ.

■ الماء له خصائص مذبذبة ، أي أنه يعرض خصائص كل من الحمض والقاعدة ويشارك في التفاعلات الحمضية القاعدية.

■ الماء قادر على العمل كعامل اختزال وكعامل مؤكسد ، وتنفيذ تفاعلات الأكسدة والاختزال المهمة بيولوجيًا لعملية التمثيل الغذائي.

■ جزيئات الماء قطبية ، بسبب مشاركتها في تفاعلات الماء ، مما يضمن إذابة العديد من المركبات الكيميائية.

■ يشارك الماء في تفاعلات التحلل - التفاعلات الهامة بيولوجيًا التحلل المائي.

■ جزيئات الماء قادرة على التفكك إلى أيونات: H2O = H + + OH.

ملامح هيكل جزيئات الماء. خصائص فريدة من نوعهايتم تحديد الماء من خلال بنية جزيئاته.

في جزيء الماء ، توجد كل ذرة هيدروجين على ذرة أكسجين. الرابطة التساهميةالتي تبلغ طاقتها ما يقرب من 110 كيلو كالوري / مول. نتيجة لذلك ، الماء مركب كيميائي مستقر للغاية. يبدأ بخار الماء في التحلل إلى O و H عند درجات حرارة أعلى من 1000 درجة مئوية.

في جزيء الماء ، يتشكل زوجان من الإلكترونات من أصل أربعة بواسطة رابطة تساهمية ويتم إزاحتهما إلى أحد جانبي الجزيء بتكوين قطبين موجبين الشحنة. ويبقى الزوجان الآخران غير مقسمين ويتم إزاحتهما بالنسبة لنواة ذرة الأكسجين إلى الجانب المقابل ، حيث يشكلان قطبين سالبين الشحنة.

لذا فإن جزيئات الماء قطبية.

بسبب القطبية ، يمكن أن تتفاعل جزيئات الماء المجاورة مع بعضها البعض ومع جزيئات المواد القطبية لتتشكل روابط هيدروجينيةيسبب فريد الخصائص الفيزيائيةوالوظائف البيولوجية للمياه. طاقة هذه الرابطة ، بالمقارنة مع طاقة الرابطة التساهمية ، صغيرة. يبلغ 4.5 كيلو كالوري / مول فقط ، وبفضل الحركة الحرارية ، يتم إنشاء وكسر هذه الروابط بين جزيئات الماء باستمرار. روابط هيدروجينية - هذه روابط بين ذرتين مترابطتين تساهميًا ذات قيمة كهرسلبية عالية (أوه ، ن ، ف) من خلال ذرة الهيدروجين H. عادةً ، يُرمز إلى الرابطة الهيدروجينية بثلاث نقاط وهذه العلامات , أنه أضعف بكثير ; من الرابطة التساهمية (حوالي 15-20 مرة).

تلعب الروابط الهيدروجينية دورًا حاسمًا في تكوين بنية محددة شبه وبلورية من الماء. وفقًا للمفاهيم الحديثة ، فإن أساس بنية الماء هو خلية بلوريةمع جزء من جزيئات الماء الحرة ملطخة بالحركة الحرارية. يتميز الماء في الحالة الصلبة بشبكات بلورية جزيئية ، حيث يتم بناء البلورات من جزيئات مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط هيدروجينية. إن وجود عناصر الشبكة البلورية ، وكذلك الطبيعة ثنائية القطب لجزيئات الماء ، هي التي تحدد القيمة العالية جدًا للسماحية النسبية للماء.

جزيئات الماء السائل قادرة على البلمرة أو الارتباط بتكوين شركاء (Н2О) ن. يحدث تكوين المواد الزميلة الكثيفة عند +4 درجة مئوية ، وهو ما يفسر الكثافة العالية للماء عند درجة الحرارة هذه. عند تسخينها ، يتم تدمير الروابط الهيدروجينية ويبدأ الشركاء في الانقسام ، لأن طاقة الحركة الحرارية تصبح أكبر من طاقة هذه الروابط. يتطلب فك الروابط الكثير من الطاقة ، ومن ثم درجة الغليان العالية والسعة الحرارية المحددة للماء. هذا ضروري للكائنات الحية أثناء التقلبات في درجة حرارة البيئة.

أثبت تحليل حيود الأشعة السينية للماء أن أجزاء من هيكل الجليد تبقى في الماء السائل. عند درجة حرارة 20 درجة مئوية ، يوجد حوالي 70٪ من الجزيئات في الماء على شكل تكتلات تحتوي على ما معدله 57 جزيء لكل منها. تسمى هذه الوحدات عناقيد المجموعات.جزيئات الماء التي تشكل الكتلة مرتبطة وخاملة التمثيل الغذائي. تلعب جزيئات الماء الحرة فقط دورًا نشطًا في تفاعلات التمثيل الغذائي. إذا كان هناك العديد من التجمعات ، فإن هذا يؤدي إلى تجميد الماء ، أي استبعاد الماء الحر ، وتقييد العمليات الأنزيمية ، وانخفاض النشاط الوظيفي للخلية.

علم الأحياء +أثناء تفكك بعض الشوارد ، بما في ذلك الماء ، تتشكل أيونات H + وهو - ، الذي يحدد تركيزه حموضة أو قاعدة المحاليل ، وبالتالي ، السمات الهيكلية ونشاط العديد من الجزيئات الحيوية وعمليات الحياة. يتم قياس هذا التركيز باستخدام مؤشر الأس الهيدروجيني - الرقم الهيدروجيني. الرقم الهيدروجيني هو اللوغاريتم العشري السالب للتركيز

H أيونات + . في الماء النقي ، هذا التركيز هو 1-10 -7 مول / لتر (-لوغ 10 -7 = 7 ) . لذلك ، فإن التفاعل المحايد للماء يتوافق مع الرقم الهيدروجيني 7 ، الأس الهيدروجيني الحمضي<7 и основной -pH>7. طول مقياس الأس الهيدروجيني من 0 إلى 14. قيمة الأس الهيدروجيني في الخلايا قلوية قليلاً. تغييرها بواحدة أو وحدتين يضر بالخلية. يتم الحفاظ على ثبات الأس الهيدروجيني في الخلايا بواسطة أنظمة عازلة تحتوي على خليط من الإلكتروليتات. تتكون من أحماض ضعيفة. (المتبرع ح +) والقاعدة المرتبطة بها (متقبل H. +) ، والتي وفقًا لربط الأيونات H. + وسندات OH - , بسبب تفاعل الأس الهيدروجيني داخل الخلية تقريبًا لا يتغير.

المركبات المحبة للماء والطارئة للماء. في جزيئات الماء ، يتم إزاحة زوجين من إلكترونات المفصل نحو الأكسجين ، لذلك الشحنة الكهربائيةيتم توزيعها بشكل غير متساو داخل الجزيئات: تسبب البروتونات H + شحنة موجبة في قطب واحد ، وتسبب أزواج الإلكترونات الأكسجين شحنة سالبة في القطب المقابل. هذه الرسوم متساوية في الحجم وتقع على مسافة معينة من بعضها البعض. لذا فإن جزيء الماء ثابت ثنائي القطبالتي يمكن أن تتفاعل مع ناقلات الشحنات الموجبة والسالبة. يفسر وجود الأقطاب في جزيئات الماء قدرة الماء على ذلك تفاعلات كيميائية ترطيب.

بسبب قطبيتها ، يمكن أن ترتبط جزيئات الماء بجزيئات أو أيونات المواد القابلة للذوبان في الماء لتكوين الهيدرات (مركبات الماء مع المذاب). هذه التفاعلات طاردة للحرارة ، وعلى عكس تفاعلات التحلل المائي ، فإن الماء لا يترافق مع تكوين أيونات الهيدروجين أو الهيدروكسيد.

عندما تتفاعل جزيئات الماء مع جزيئات المواد القطبية ، فإن جذب جزيئات الماء إلى مادة مختلفة يفوق طاقة التجاذب بين جزيئات الماء. لذلك ، يتم بناء جزيئات أو أيونات هذه المركبات في النظام العام للروابط الهيدروجينية للماء. المواد المحبة للماء -هذه مواد قطبية قادرة على الذوبان جيدًا في الماء. هذه أملاح بلورية قابلة للذوبان ، السكريات الأحادية ، بعض الأحماض الأمينية ، الأحماض النووية ، إلخ.

في حالة تفاعل جزيئات الماء مع جزيئات المواد غير القطبية ، ستكون طاقة جذب جزيئات الماء فيها أقل من طاقة الروابط الهيدروجينية. تحاول الجزيئات غير القطبية عزل نفسها عن جزيئات الماء ، وتتجمع معًا ويتم إزاحتها عن المحلول المائي. المواد الكارهة للماء -هذه مواد غير قطبية لا تذوب في الماء. هذه هي أملاح معدنية غير قابلة للذوبان ، دهون ، عديد السكاريد ، بروتينات معينة ، إلخ. بعض الجزيئات العضوية لها خصائص مزدوجة: تتركز المجموعات القطبية في بعض مناطقها ، وتتركز المجموعات غير القطبية في مناطق أخرى. هذه هي العديد من البروتينات ، الدهون الفوسفورية. يطلق عليهم المواد البرمائية.

حيثما يوجد الكربون ، توجد مجموعة متنوعة من المواد العضوية ، حيث يوجد الكربون ، وهناك أكثر الهياكل تنوعًا من حيث البنية الجزيئية.

موسوعة كيميائي شاب

يمكن تحديد تكوين الماء باستخدام تفاعل التحلل بواسطة التيار الكهربائي. يتكون حجمان من الهيدروجين لكل حجم واحد من الأكسجين (حجم الغاز يتناسب مع كمية المادة):

2H 2 O \ u003d 2H 2 + O 2

يتكون الماء من جزيئات. يحتوي كل جزيء على ذرتين من الهيدروجين مرتبطة بروابط تساهمية مع ذرة أكسجين واحدة. الزاوية بين السندات حوالي 105 درجة:
أوه
ح

نظرًا لأن الأكسجين عنصر كهرسلبي أكثر (عامل مؤكسد قوي) ، فإن زوج الإلكترون الشائع للرابطة التساهمية ينتقل إلى ذرة الأكسجين ، وتتشكل شحنة سالبة جزئية δ− عليه ، وتتشكل شحنة موجبة جزئية δ + على ذرات الهيدروجين. تنجذب الجزيئات المجاورة لبعضها البعض عن طريق الشحنات المعاكسة - وهذا يسبب نسبيًا درجة حرارة عاليةماء مغلي.

الماء في درجة حرارة الغرفة سائل شفاف عديم اللون. نقطة الانصهار 0 درجة مئوية ، نقطة الغليان عند الضغط الجوي - 100 درجة مئوية الماء النقي لا يوصل الكهرباء.

ميزة مثيرة للاهتمام للمياه هي أنها تحتوي على أعلى كثافة تبلغ 1 جم / سم 3 عند درجة حرارة حوالي 4 درجات مئوية. مع انخفاض درجة الحرارة بشكل أكبر ، تقل كثافة الماء. لذلك ، مع بداية فصل الشتاء ، تصبح طبقات الماء المتجمدة العلوية أخف وزنا ولا تغرق. يتشكل الجليد على السطح. لا يحدث عادةً تجميد الخزان في القاع (إلى جانب ذلك ، يكون للثلج أيضًا كثافة مياه اقلوتطفو على السطح).

الخواص الكيميائية :

إلى الملوثات الرئيسية المياه الطبيعيةتشمل مياه الصرف الصحي من المنشآت الصناعية التي تحتوي على مركبات الزئبق والزرنيخ والعناصر السامة الأخرى. قد تحتوي النفايات السائلة من مجمعات الثروة الحيوانية والمدن على نفايات تسبب التطور السريع للبكتيريا. يمثل التخزين غير السليم (الذي لا يوفر الحماية منه) خطرًا كبيرًا على المسطحات المائية الطبيعية تساقط) أو استخدام الأسمدة والمبيدات المغسولة في المسطحات المائية. النقل ، وخاصة المياه ، يلوث المسطحات المائية بمنتجات النفط و النفايات المنزليةيلقيها عديمو الضمير مباشرة في الماء.

لحماية المياه ، من الضروري إدخال إمدادات المياه المغلقة للمؤسسات الصناعية ، والمعالجة المعقدة للمواد الخام والنفايات ، وبناء مرافق المعالجة ، والتعليم البيئي للسكان.

* تستخدم المحاليل الملحية في التحليل الكهربائي للماء

2. الخبرة. التعرف على ملح حمض الكربونيك بين الأملاح الثلاثة المقترحة.

التفاعل النوعي للكربونات هو التفاعل مع الأحماض ، مصحوبًا بإطلاق سريع لثاني أكسيد الكربون:

CaCO 3 + 2HCl \ u003d CaCl 2 + H 2 O + CO 2

أو في شكل أيوني:

CO 3 2− + 2H + = H 2 O + CO 2

من الممكن إثبات أن أول أكسيد الكربون (IV) يتم إطلاقه عن طريق تمريره عبر محلول من ماء الجير ، مما يجعله غائمًا:

CO 2 + Ca (OH) 2 \ u003d CaCO 3 ↓ + H 2 O

للتعرف على ملح حمض الكربونيك ، أضف القليل من الحمض إلى جميع أنابيب الاختبار الثلاثة (بحيث لا يفيض عند "الغليان"). حيثما يتم إطلاق غاز عديم اللون والرائحة ، توجد كربونات.

الماء هو المادة الأكثر شيوعًا والأكثر شيوعًا في حياتنا. يتكون جسم الإنسان من 70٪ ماء ، كما تحتوي البيئة الطبيعية من حولنا على 70٪ ماء.

من الكتب المدرسيةنعلم أن جزيء الماء يتكون من ذرة أكسجين وذرتين هيدروجين ، أي واحدة من أصغر الجزيئات وأخفها. مع كل الروتين والوضوح بالنسبة لنا لخصائص الماء التي نستخدمها باستمرار ، هناك مفارقات في الماء السائل التي تحدد حتى أشكال الحياة على الأرض.

كثافة الماء السائل أكبر من كثافة الجليد. لذلك ، عند التجميد ، يزداد حجم الجليد ، ويطفو الجليد على سطح الماء.

تبلغ كثافة الماء القصوى 4 درجات مئوية ، وليس عند نقطة الانصهار ، تنخفض درجة الحرارة إلى اليمين واليسار.

تنخفض لزوجة الماء مع زيادة الضغط.

تقع نقطة غليان الماء خارج الاعتماد العام لنقطة الغليان على الوزن الجزيئي للمواد (الشكل 1.1). خلاف ذلك ، يجب ألا تزيد درجة الحرارة عن 60 درجة مئوية.

السعة الحرارية للماء هي ضعف سعة أي سائل آخر على الأقل.

حرارة التبخر (~ 2250 كيلو جول / كجم) أعلى بثلاث مرات على الأقل من حرارة أي سائل آخر ، أعلى بثماني مرات من حرارة الإيثانول.

ضع في اعتبارك هذه الخاصية الأخيرة للمياه. حرارة التبخير هي الطاقة المطلوبة لكسر الروابط بين الجزيئات عندما تنتقل من المرحلة المكثفة إلى المرحلة الغازية. هذا يعني أن سبب جميع الخصائص المتناقضة هو في طبيعة الروابط بين الجزيئات للماء ، وهذا بدوره يتحدد من خلال بنية جزيء الماء.

الشكل 1.1. مدى نسب الوزن الجزيئي للمركبات المختلفة ونقاط غليانها.

1. ما هو جزيء الماء؟

في عام 1780 أثبت لافوازييه بشكل تجريبي أن الماء يتكون من الأكسجين والهيدروجين ، وأن مجلدين من الهيدروجين يتفاعلان مع حجم واحد من الأكسجين ، وأن نسبة كتل الهيدروجين والأكسجين في الماء هي 2:16. بحلول عام 1840 ، أصبح من الواضح أن الصيغة الجزيئية للماء هي H 2 O.

ثلاث نوى في جزيء تشكل مثلث متساوي الساقين مع بروتونين في القاعدة (الشكل 1.2). الصيغة الإلكترونيةجزيئات الماء [(1S 2)] [(1S 2) (2S 2) (2P 4)].

الشكل 1.2.تشكيل نظام ربط m.o. من 2p مدارات من ذرة الأكسجين و 1س- مدارات ذرة الأكسجين و 1س- مدارات ذرات الهيدروجين.

نظرًا لمشاركة إلكترونين من الهيدروجين 1s فيما يتعلق بإلكترونين 2p من الأكسجين ، يحدث تهجين sp وتشكل المدارات الهجينة sp 3 بزاوية مميزة بينهما تبلغ 104.5 درجة ، بالإضافة إلى قطبين من الشحنات المعاكسة. طول اتصالات O-N 0.95 (0.095 نانومتر) ، والمسافة بين البروتونات 1.54 (0.154 نانومتر). يوضح الشكل 1.3 النموذج الإلكتروني لجزيء الماء.

الشكل 1.3. النموذج الإلكتروني لجزيء H. 2 س.

تدور ثمانية إلكترونات في أزواج في أربعة مدارات تقع في ثلاث مستويات (الزوايا 90 حول ) التي تناسب المكعب. 1 ، 2 - أزواج وحيدة من الإلكترونات.

النتيجة الأكثر أهمية لهذا الاعتبار: عدم تناسق توزيع الشحنة يحول جزيء H 2 O إلى ثنائي القطب: توجد البروتونات عند طرفين موجبين ، والأزواج غير المشتركة من الإلكترونات p للأكسجين تقع عند طرفين سالبين.

وبالتالي ، يمكن اعتبار جزيء الماء هرمًا مثلثًا - رباعي السطوح ، يتم وضع أربع شحنات في أركانه - اثنتان موجبتان واثنتان سالبتان.

تشكل هذه الشحنات بيئتها المباشرة عن طريق تحويل جزيئات الماء المجاورة بطريقة محددة بدقة - بحيث يكون هناك دائمًا ذرة هيدروجين واحدة فقط بين ذرتين من الأكسجين. من الأسهل تخيل ودراسة مثل هذا الهيكل بين الجزيئات على الماء في الحالة الصلبة. يوضح الشكل 1.4 هيكل الجليد.

أرز. 1.4 هيكل سداسي من الجليد

يتم تثبيت الهيكل معًا بواسطة روابط O-H ... O. يسمى هذا الارتباط بين ذرتين من الأكسجين لجزيئات الماء المجاورة بوساطة ذرة هيدروجين واحدة برابطة الهيدروجين.

يحدث الترابط الهيدروجيني للأسباب التالية:

1 - يحتوي البروتون على إلكترون واحد فقط ، لذا فإن تنافر الإلكترون بين ذرتين يكون ضئيلاً. يغرق البروتون ببساطة في غلاف الإلكترون للذرة المجاورة ، مما يقلل المسافة بين الذرات بنسبة 20-30٪ (حتى 1) ؛

2 - يجب أن يكون للذرة المجاورة قيمة كبيرة للسلبية الكهربية. بالمصطلحات التقليدية (وفقًا لبولينج) ، فإن الكهربية الكهربية F تساوي 4.0 ؛ O - 3.5 ؛ N - 3.0 ؛ Cl - 3.0 ؛ C - 2.5 ؛ S - 2.5.

يمكن أن يحتوي جزيء الماء على أربعة روابط هيدروجينية ، في جزئين يعمل كمانح للإلكترون ، ويعمل في جزئين كمستقبل للإلكترون. ويمكن أن تنشأ هذه الروابط مع كل من جزيئات الماء المجاورة ومع المواد الأخرى.

لذا فإن لحظة ثنائي القطب زاوية H-O-Hو О-Н… تحدد الرابطة الهيدروجينية الخصائص الفريدة للمياه وتلعب دورًا رئيسيًا في تشكيل العالم من حولنا.

المهمة التي تؤديها خلية ماير هي التحلل "السهل" لجزيئات الماء تحت تأثير تيار كهربائي مصحوب بإشعاع كهرومغناطيسي.

لحلها ، لنكتشف ما هو الماء؟ ما هي بنية جزيئات الماء؟ ما هو معروف عن جزيئات الماء وروابطها؟ استخدمت في المقال العديد من المنشورات المتوفرة بكميات كافية على الإنترنت ، لكنها مستنسخة بأعداد كبيرة ، لذلك ليس من الواضح لي من هو مؤلفها ومن الغباء من جانبي الإشارة إلى المصدر. علاوة على ذلك ، فإن هذه المنشورات "مربكة" لدرجة العار ، مما يجعل من الصعب إدراكها ، ويزيد بشكل كبير من وقت الدراسة. عند تحليل المقالات ، استخلصت شيئًا يمكن أن يرشدك إلى فهم ما سنتعامل معه في عملية استخراج الطاقة الرخيصة ، أو بالأحرى ، في عملية تكسير جزيئات الماء إلى مكونات - الهيدروجين والأكسجين.

لذلك ، دعونا ننظر في أهم المفاهيم حول بنية جزيئات الماء!

الماء مادة تكون وحدتها الهيكلية الرئيسية هي جزيء H 2 O ، وتتكون من ذرة أكسجين واحدة وذرتين من الهيدروجين.

يحتوي جزيء الماء على هيكل مثلث متساوي الساقين: في الجزء العلوي من هذا المثلث توجد ذرة أكسجين ، وفي قاعدته توجد ذرتان هيدروجين. قياس زاوية الرأس 104 ° 27 وطول الضلع 0.096 nm. تشير هذه المعلمات إلى حالة التوازن الافتراضية لجزيء الماء بدون تذبذباته ودوراته. يوضح الشكل هندسة جزيء الماء ومداراته الإلكترونية.

جزيء الماء هو ثنائي القطب يحتوي على شحنات موجبة وسالبة في القطبين. إذا تم وضع جزيء ماء "حر" ، غير مرتبط بجزيئات أخرى ، في مجال كهربائي ، فسوف "يتحول" بأقطابه السالبة نحو اللوحة الموجبة للمجال الكهربائي ، وأقطابها الموجبة نحو اللوحة السالبة. هذه العملية موضحة في الشكل 1 ، الموضع - 3 ب ، موضحًا تشغيل خلية ماير في مقالة "الماء بدلاً من البنزين".

إذا قمت بتوصيل بؤري الشحنات الموجبة والسالبة بخطوط مستقيمة ، فستحصل على شكل هندسي ثلاثي الأبعاد - رباعي السطوح منتظم. هذا هو هيكل جزيء الماء نفسه.

نظرًا لوجود روابط هيدروجينية ، فإن كل جزيء ماء يشكل رابطة هيدروجينية مع 4 جزيئات مجاورة ، مما يشكل إطارًا شبكيًا مفتوحًا في جزيء الجليد. هذه هي الحالة المنظمة لجزيئات الماء التي يمكن أن تسمى "بنية". يمكن لكل جزيء أن يشكل في نفس الوقت أربع روابط هيدروجينية مع جزيئات أخرى بزوايا محددة بدقة ، تساوي 109 ° 28 ′ ، موجهة إلى رؤوس رباعية السطوح ، والتي لا تسمح بتكوين بنية كثيفة عند التجميد.

عندما يذوب الجليد ، ينهار هيكله رباعي الزوايا ويتكون خليط من البوليمرات ، يتكون من ثلاثي ، رباعي ، خماسي ، وسداسي من الماء وجزيئات الماء الحرة.

الماء في حالته السائلة هو سائل غير منظم. هذه الروابط الهيدروجينية عفوية وقصيرة العمر وسرعان ما تتكسر ويعاد تشكيلها.

تشكل رباعي الأسطح لجزيئات الماء المجمعة مجموعة متنوعة من الهياكل المكانية والمستوية.

ومن بين مجموعة متنوعة من الهياكل في الطبيعة ، فإن القاعدة هي الهيكل السداسي (السداسي) ، عندما يتم دمج ستة جزيئات ماء (رباعي السطوح) في حلقة.

هذا النوع من الهياكل هو سمة من سمات الجليد والثلج والمياه الذائبة ، والتي ، بسبب وجود مثل هذا الهيكل ، تسمى "المياه المهيكلة". لقد كتب الكثير عن الخصائص المفيدة للمياه المهيكلة ، لكن هذا ليس موضوع مقالتنا. سيكون من المنطقي أن تكون المياه المهيكلة ، التي تشكل هياكل سداسية ، هي أسوأ نسخة من بنية الماء التي يمكن استخدامها للتحلل إلى الهيدروجين والأكسجين. اسمحوا لي أن أشرح السبب: جزيئات الماء ، التي تجمع ستة في شكل سداسي ، لها تركيبة محايدة كهربائيًا - لا تحتوي جزيئات السداسية على أقطاب موجبة وسالبة. إذا وضعت سداسيًا من الماء المهيكل في مجال كهربائي ، فلن يتفاعل معها بأي شكل من الأشكال. لذلك ، يمكن الاستنتاج المنطقي أنه من الضروري أن يكون هناك أقل عدد ممكن من الهياكل المنظمة في الماء. في الواقع ، العكس هو الصحيح ، السداسي ليس بنية كاملة ، بل هناك مفهوم أكثر إثارة للاهتمام - الكتلة.

تسمى تراكيب جزيئات الماء المجمعة بالعناقيد ، وتسمى جزيئات الماء الفردية كوانتا. الكتلة عبارة عن مركب ضخم من جزيئات الماء ، بما في ذلك السداسيات ، والتي لها أقطاب موجبة وسالبة.

في الماء المقطر ، تكون العناقيد محايدة من الناحية الكهربائية ، لأنه نتيجة للتبخر ، تم تدمير المجموعات ، ونتيجة للتكثيف ، لم تظهر الروابط القوية بين جزيئات الماء. ومع ذلك ، يمكن تغيير الموصلية الكهربائية الخاصة بهم. إذا تم تقليب الماء المقطر باستخدام محرض مغناطيسي ، فسيتم استعادة الروابط بين عناصر المجموعات جزئيًا وسوف تتغير الموصلية الكهربائية للماء. بعبارات أخرى، الماء المقطر هو الماء الذي يحتوي على أقل عدد من الروابط بين الجزيئات . في ذلك ، تكون ثنائيات أقطاب الجزيئات في حالة خاطئة ، وبالتالي فإن ثابت العزل الكهربائي للماء المقطر مرتفع للغاية ، وهو موصل ضعيف للتيار الكهربائي. في الوقت نفسه ، لزيادة إمكانية التحكم في تجمعات المياه ، يتم إضافة الأحماض أو القلويات إليها ، والتي تشارك في الروابط الجزيئية ، ولا تسمح لجزيئات الماء بتكوين هياكل سداسية ، وبالتالي تكوين الإلكتروليتات. الماء المقطر هو عكس الماء المهيكل ، حيث يوجد عدد كبير من الروابط بين جزيئات الماء في مجموعات.

توجد على موقعي وستظهر ، للوهلة الأولى ، مقالات "منفصلة" ولا علاقة لها بالمقالات الأخرى. في الواقع ، فإن معظم مقالات الموقع مترابطة في كل واحد. في هذه الحالة ، في وصف خصائص الماء المقطر ، أستخدم نظرية ثنائي القطب للتيار الكهربائي ، وهذا مفهوم بديل للتيار الكهربائي ، والذي أكده العلم والممارسة أفضل من المفهوم الكلاسيكي.

عند التعرض لطاقة مصدر تيار كهربائي ، تدور جميع ثنائيات أقطاب ذرات الماء (كموصل) ، وتوجه أقطابها التي تحمل الاسم نفسه في اتجاه واحد. إذا أنشأت جزيئات الماء بنية عنقودية (موجهة بشكل متبادل) قبل ظهور مجال كهربائي خارجي ، فعندئذٍ للتوجيه في مجال كهربائي خارجي ، يلزم الحد الأدنى من طاقة مصدر التيار الكهربائي. إذا لم يكن الهيكل منظمًا (مثل الماء المقطر) ، إذن عدد كبير منطاقة.

لاحظ أن هناك رأي "بين الناس" بأن الماء المقطر والماء الذائب يجب أن يكون لهما نفس الخصائص الموصلة للكهرباء ، لأن أحدهما والآخر لا يحتوي على شوائب كيميائية (عادة أملاح) ، التركيب الكيميائيهو نفسه ، وبنية جزيئات الماء هي نفسها في الماء الذائب وفي الماء المقطر.

في الواقع ، كل شيء يبدو عكس ذلك ، وغياب الشوائب لا يشير على الإطلاق إلى خصائص التوصيل الكهربائي للماء. غير مدركين لذلك ، فإن بعض الناس "يقتلون" البطاريات في مرحلة ملئها بالكهرباء ، أو استبدال الماء المقطر بالماء الذائب ، أو ببساطة تنقيتها من خلال مرشح كربون. كقاعدة عامة ، البطارية المشحونة التي تم شراؤها في سوق السيارات تدوم أقل من البطارية التي اشتريتها مشحونة جافة ومخففة حامض الكبريتيكماء مقطر ، املأه بنفسك. هذا فقط لأن المنحل بالكهرباء "الجاهز" ، أو البطارية المشحونة ، هو في الوقت الحاضر وسيلة لكسب المال ، ومن أجل تحديد نوع الماء الذي تم استخدامه ، من الضروري إجراء فحص مكلف ، لا أحد يزعج هذه. لا يهم التاجر كم من الوقت تدوم بطارية سيارتك ، ولا تريد حقًا العبث بالحمض أيضًا. لكن ، أؤكد لكم ، أن البطارية التي تتعرق فيها ستكون أكثر بهجة في درجات حرارة أقل من الصفر من البطارية المملوءة بالكهرباء الجاهزة للزجاجة.

فلنكمل!

في الماء ، يتم تدمير العناقيد بشكل دوري وتشكيلها مرة أخرى. وقت القفزة هو 10-12 ثانية.

نظرًا لأن هيكل جزيء الماء غير متماثل ، فإن مراكز الجاذبية لشحناته الموجبة والسالبة لا تتطابق. للجزيئات قطبين - موجب وسالب ، يخلقان ، مثل المغناطيس ، حقول قوة جزيئية. تسمى هذه الجزيئات القطبية ، أو ثنائيات الأقطاب ، ويتم تحديد الخاصية الكمية للقطبية بواسطة العزم الكهربائي لثنائي القطب ، معبراً عنه بحاصل ضرب المسافة ل بين مراكز الجاذبية الكهربائية للشحنات الموجبة والسالبة للجزيء لكل شحنة ه بالوحدات الكهروستاتيكية المطلقة: ع = ل

بالنسبة للمياه ، فإن العزم ثنائي القطب مرتفع جدًا: p = 6.13 · 10 -29 C · m.

تصطف مجموعات الماء عند حدود الطور (الهواء السائل) بترتيب معين ، بينما تتأرجح جميع المجموعات بنفس التردد ، وتكتسب ترددًا مشتركًا واحدًا. مع مثل هذه الحركة للعناقيد ، مع الأخذ في الاعتبار أن جزيئات الماء المتضمنة في الكتلة قطبية ، أي أن لديها عزم ثنائي القطب كبير ، يجب توقع ظهور الإشعاع الكهرومغناطيسي. يختلف هذا الإشعاع عن إشعاع ثنائيات الأقطاب الحرة ، لأن ثنائيات الأقطاب مرتبطة وتتأرجح معًا في بنية عنقودية.

يمكن تحديد تردد التذبذب لمجموعات المياه ، وبالتالي ، تواتر التذبذبات الكهرومغناطيسية من خلال الصيغة التالية:

أين أ هو التوتر السطحي للماء عند درجة حرارة معينة ؛ م
هي كتلة الكتلة.

أين الخامس هو حجم الكتلة.

يتم تحديد حجم الكتلة مع مراعاة أبعاد الهيكل المغلق للكتلة أو عن طريق القياس مع أبعاد مجال البروتين.
في درجة حرارة الغرفة 18 درجة مئوية ، تردد اهتزاز الكتلة F يساوي 6.79 10 9 هرتز ، أي يجب أن يكون الطول الموجي في الفضاء الحر λ = 14.18 ملم.

ولكن ماذا سيحدث عندما يتعرض الماء للإشعاع الكهرومغناطيسي الخارجي؟ نظرًا لأن الماء عبارة عن هيكل منظم ذاتيًا ويحتوي على عناصر مجمعة وجزيئات حرة ، فسيحدث ما يلي عند تعرضه للإشعاع الكهرومغناطيسي الخارجي. عندما تقترب جزيئات الماء من بعضها البعض (تتغير المسافة من R 0 إلى R 1) ، تتغير طاقة التفاعل بمقدار أكبر من عندما تبتعد عن بعضها البعض (تتغير المسافة من R 0 إلى R 2).

ولكن، نظرًا لأن جزيئات الماء لها عزم ثنائي القطب كبير ، في حالة وجود مجال كهرومغناطيسي خارجي ، فإنها ستتذبذب (على سبيل المثال ، من R 1 إلى R 2). في هذه الحالة ، نظرًا للاعتماد أعلاه ، سيساهم المجال الكهرومغناطيسي المطبق بشكل أكبر في جذب الجزيئات ، وبالتالي في تنظيم النظام ككل ، أي تشكيل هيكل سداسي.

في وجود شوائب في البيئة المائية، يتم تغطيتها بقشرة هيدراتية بحيث تميل الطاقة الإجمالية للنظام إلى أخذ قيمة دنيا. وإذا كانت العزم ثنائي القطب الكلي للهيكل السداسي يساوي صفرًا ، فعند وجود الشوائب ، يتم انتهاك البنية السداسية القريبة منها بطريقة يأخذ النظام قيمة دنيا ، وفي بعض الحالات يتم تحويل الأشكال السداسية إلى البنتاغون ، وقشرة الماء لها شكل قريب من الكرة. يمكن للشوائب (على سبيل المثال ، أيونات الصوديوم) أن تثبت الهيكل ، مما يجعله أكثر مقاومة للتدمير.

لن يتحرك نظام الماء المنظم ذاتيًا تحت تأثير الإشعاع الكهرومغناطيسي ككل ، ولكن كل عنصر من عناصر الشكل السداسي ، وفي حالة الشوائب محليًا ومن نوع مختلف ، سيتحول الهيكل ، أي سيكون هناك تشويه في هندسة الهيكل ، أي تنشأ التوترات. هذه الخاصية للماء تشبه إلى حد بعيد البوليمرات. لكن هياكل البوليمر لها أوقات كبيرةالاسترخاء وهو ليس 10-11-10-12 ثانية بل دقائق أو أكثر. لهذا سوف تتراكم طاقة كمات الإشعاع الكهرومغناطيسي ، التي تنتقل إلى الطاقة الداخلية لهيكل مائي منظم نتيجة لتشوهاتها ، حتى تصل إلى طاقة الرابطة الهيدروجينية ، والتي تزيد بمقدار 500-1000 مرة عن الطاقة الكهرومغناطيسية. مجال. عندما يتم الوصول إلى هذه القيمة ، تنكسر الرابطة الهيدروجينية ويتلف الهيكل.

يمكن مقارنة هذا بـ الانهيار الجليديعندما يكون هناك تراكم تدريجي وبطيء للكتلة ، ثم انهيار سريع. في حالة الماء ، لا تنكسر الرابطة الضعيفة بين العناقيد فحسب ، بل أيضًا روابط أقوى - في بنية جزيئات الماء. نتيجة لهذه الفجوة ، يمكن تشكيل H + ، OH - وإلكترون رطب. يرجع اللون الأزرق للمياه النقية إلى وجود هذه الإلكترونات ، وليس مجرد تشتت الضوء الطبيعي.

استنتاج

وهكذا ، عند تعرضها للإشعاع الكهرومغناطيسي بالماء ، تتراكم الطاقة في الهيكل العنقودي إلى قيمة حرجة معينة ، ثم تنكسر الروابط بين المجموعات وغيرها ، ويحدث إطلاق يشبه الانهيار الجليدي للطاقة ، والتي يمكن بعد ذلك تحويلها إلى أخرى. أنواع.