A vízmolekulák szerkezete, kötéseik és tulajdonságaik. Külső fizikai hatások hatása a vízmolekulákra? Víz: összetétele, molekulaszerkezete, fizikai tulajdonságai

Ph.D. O.V. Mosin

A vízmolekula egy kis dipólus, amely pozitív és negatív töltéseket tartalmaz a pólusokon. Mivel az oxigénmag tömege és töltése nagyobb, mint a hidrogénatomoké, az elektronfelhő összehúzódik az oxigénmag felé. Ebben az esetben a hidrogénmagok „csupaszok”. Így az elektronfelhő sűrűsége nem egyenletes. A hidrogénatommagok közelében hiányzik az elektronsűrűség, a molekula másik oldalán, az oxigénmag közelében pedig az elektronsűrűség feleslege. Ez a szerkezet határozza meg a vízmolekula polaritását. Ha a pozitív és negatív töltések epicentrumait egyenes vonalakkal kötjük össze, akkor térfogatot kapunk geometriai alakzat szabályos tetraéder.

A vízmolekula szerkezete (jobb oldali ábra)

A hidrogénkötések jelenléte miatt minden vízmolekula hidrogénkötést hoz létre 4 szomszédos molekulával, áttört hálókeretet képezve a jégmolekulában. Folyékony állapotában azonban a víz rendezetlen folyadék; ezek a hidrogénkötések spontánok, rövid életűek, gyorsan felszakadnak és újra kialakulnak. Mindez a víz szerkezetének heterogenitásához vezet.

Hidrogénkötések a vízmolekulák között (bal oldali kép lent)

Az a tény, hogy a víz összetételében heterogén, már régen kiderült. Régóta ismert, hogy a jég lebeg a víz felszínén, vagyis a kristályos jég sűrűsége kisebb, mint a folyadék sűrűsége.

Szinte minden más anyagban a kristály sűrűbb, mint a folyékony fázis. Ráadásul még az olvadás után is, ahogy a hőmérséklet emelkedik, a víz sűrűsége tovább növekszik, és 4°C-on éri el a maximumot. Kevésbé ismert a víz összenyomhatóságának anomáliája: olvadásponttól 40°C-ig melegítve csökken, majd növekszik. A víz hőkapacitása szintén nem monoton függ a hőmérséklettől.

Ezenkívül 30 ° C alatti hőmérsékleten, amikor a nyomás atmoszférikusról 0,2 GPa-ra emelkedik, a víz viszkozitása csökken, és az öndiffúziós együttható - egy olyan paraméter, amely meghatározza a vízmolekulák egymáshoz viszonyított mozgási sebességét - növeli.

Más folyadékoknál a függés inverz, és szinte soha nem fordul elő, hogy valamelyik fontos paraméter nem monoton módon viselkedik, pl. először nőtt, majd áthaladása után a hőmérséklet vagy a nyomás kritikus értéke csökkent. Volt egy olyan feltételezés, hogy a víz valójában nem egyetlen folyadék, hanem két olyan komponens keveréke, amelyek tulajdonságai, például sűrűsége és viszkozitása, következésképpen szerkezetükben is különböznek egymástól. Az ilyen elképzelések a 19. század végén kezdtek felbukkanni, amikor már rengeteg adat halmozódott fel a vízügyi anomáliákról.

Azt az elképzelést, hogy a víz két összetevőből áll, először Whiting vetette fel 1884-ben. Szerzőségét idézi E.F. Fritsman a „The nature of water. Heavy Water”, 1935-ben jelent meg. 1891-ben W. Rengten bevezette a víz két halmazállapotának fogalmát, amelyek sűrűségükben különböznek egymástól. Ezt követően számos olyan mű jelent meg, amelyekben a vizet különböző összetételű társított anyagok ("hidrolok") keverékének tekintették.

Amikor az 1920-as években meghatározták a jég szerkezetét, kiderült, hogy a kristályos állapotban lévő vízmolekulák egy háromdimenziós folytonos rácsot alkotnak, amelyben minden molekulának négy legközelebbi szomszédja van, amelyek egy szabályos tetraéder csúcsaiban helyezkednek el. 1933-ban J. Bernal és P. Fowler felvetették, hogy a folyékony vízben is létezik hasonló hálózat. Mivel a víz sűrűbb, mint a jég, úgy vélték, hogy a benne lévő molekulák nem úgy helyezkednek el, mint a jégben, vagyis mint a szilícium atomok az ásványi tridimitben, hanem mint a szilícium atomok a szilícium-dioxid - kvarc - sűrűbb változatában. A vízsűrűség növekedését 0-ról 4 °C-ra melegítve a tridimit komponens alacsony hőmérsékleten való jelenlétével magyarázták. Így a Bernal-Fowler modell megtartotta a kétszerkezet elemét, de fő vívmányuk a folytonos tetraéderes hálózat ötlete. Aztán megjelent I. Langmuir híres aforizmája: "Az óceán egy nagy molekula." A modell túlzott konkretizálása nem adta az egységes rácselmélet támogatóit.

J. Popl csak 1951-ben alkotott meg egy folyamatos rácsmodellt, amely nem volt olyan specifikus, mint a Bernal-Fowler modell. Popl a vizet véletlenszerű tetraéderes hálózatnak képzelte el, amelyben a molekulák közötti kötések görbültek és különböző hosszúságúak. Popl modellje a víz olvadás közbeni sűrűsödését a kötések meghajlításával magyarázza. Amikor az 1960-as és 1970-es években megjelentek a II. és IX. jég szerkezetének első meghatározásai, világossá vált, hogy a kötéshajlítás hogyan vezethet szerkezeti tömörödéshez. Pople modellje nem tudta megmagyarázni a víz tulajdonságainak hőmérséklettől és nyomástól való függésének nem-monotonitását, valamint a kétállapotú modelleket. Ezért a két állam gondolatát sok tudós osztotta sokáig.

De a 20. század második felében nem lehetett annyira fantáziálni a „hidrolok” összetételéről és szerkezetéről, mint a század elején. A jég és a kristályos hidrátok elrendezését már korábban is ismerték, és sokat tudtak a hidrogénkötésről is. A „kontinuum” modellek (a Pople-modell) mellett a „vegyes” modellek két csoportja jelent meg: a klaszter és a klatrát. Az első csoportban a víz hidrogénkötésekkel összekapcsolt molekulák klasztereiként jelent meg, amelyek olyan molekulák tengerében lebegtek, amelyek nem vesznek részt ilyen kötésekben. A második csoportba tartozó modellek a vizet hidrogénkötések folytonos hálózatának (amelyet ebben az összefüggésben rendszerint keretnek neveznek), amely üregeket tartalmaz; olyan molekulákat tartalmaznak, amelyek nem képeznek kötést a váz molekuláival. Nem volt nehéz kiválasztani a klatrátmodellek két mikrofázisának ilyen tulajdonságait és koncentrációit, vagy a váz tulajdonságait és üregeinek kitöltési fokát a klatrát modellekben, hogy megmagyarázzuk a víz összes tulajdonságát, beleértve a híres anomáliákat is.

A klasztermodellek közül G. Nemethy és H. Sheragi modellje volt a legszembetűnőbb: képeik, amelyek kötött molekulák halmazait ábrázolják, amelyek a kötetlen molekulák tengerében lebegnek, számos monográfiában szerepeltek.

A klatrát típus első modelljét 1946-ban O.Ya javasolta. Samoilov: a vízben a hatszögletű jéghez hasonló hidrogénkötések hálózata őrződik meg, amelynek üregei részben monomer molekulákkal vannak kitöltve. L. Pauling 1959-ben egy másik változatot alkotott meg, ami arra utal, hogy egyes kristályos hidrátokban rejlő kötéshálózat szolgálhat a szerkezet alapjául.

Az 1960-as évek második felében és az 1970-es évek elején mindezen nézetek konvergenciája volt megfigyelhető. Megjelentek a klasztermodellek olyan változatai, amelyekben mindkét mikrofázisban lévő molekulák hidrogénkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. A klatrát modellek támogatói elkezdték lehetővé tenni a hidrogénkötések kialakulását az üres és a keretmolekulák között. Vagyis e modellek szerzői a vizet hidrogénkötések folytonos hálózatának tekintik. És arról beszélünk, hogy ez a rács mennyire inhomogén (például sűrűségben). A víz mint hidrogénkötésű klaszterek, amelyek a kötésektől mentes vízmolekulák tengerében lebegnek, a nyolcvanas évek elején vetettek véget, amikor G. Stanley a perkolációs elméletet alkalmazta a fázist leíró vízmodellre. víz átmenetei.

1999-ben a híres orosz vízkutató S.V. Zenin az Orosz Tudományos Akadémia Orvosbiológiai Problémái Intézetében védte meg doktori disszertációját a klaszterelméletről, ami jelentős lépés volt e kutatási terület népszerűsítésében, melynek összetettségét tovább fokozza, hogy három tudomány metszéspontja: a fizika, a kémia és a biológia. Három fizikai-kémiai módszerrel nyert adatok alapján: refraktometria (S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, 1994), nagy teljesítményű folyadékkromatográfia (S.V. Zenin et al., 1998) és proton mágneses rezonancia (C.V. Zenin, 1993) megszerkesztve és igazolta a vízmolekulák (strukturált víz) fő stabil szerkezeti kialakulásának geometriai modelljét, majd (S.V. Zenin, 2004) fáziskontraszt mikroszkóppal képet kaptunk ezekről a szerkezetekről.

Mára a tudomány bebizonyította, hogy a víz fizikai tulajdonságainak sajátosságai, valamint a szomszédos hidrogén- és oxigénatomok között egy vízmolekulában számos rövid élettartamú hidrogénkötés kedvező lehetőséget teremt speciális társult struktúrák (klaszterek) kialakulására, amelyek érzékelik, tárolják és továbbítják sokféle információ.

Az ilyen víz szerkezeti egysége egy klatrátokból álló klaszter, amelynek természetét nagy hatótávolságú Coulomb-erők határozzák meg. A klaszterek szerkezete információkat kódol az ezekkel a vízmolekulákkal lejátszódó kölcsönhatásokról. A vízklaszterekben az oxigénatomok és a hidrogénatomok közötti kovalens és hidrogénkötések kölcsönhatása miatt a közvetítő mechanizmus szerint protonvándorlás (H+) történhet, ami a klaszteren belüli proton delokalizációhoz vezet.

A víz, amely sok különböző típusú klaszterből áll, hierarchikus térbeli folyadékkristály-struktúrát alkot, amely hatalmas mennyiségű információt képes érzékelni és tárolni.

Az ábrán (V.L. Voeikov) több egyszerű klaszterstruktúra diagramja látható példaként.

A vízhalmazok néhány lehetséges szerkezete

Az információhordozók különféle természetű fizikai mezők lehetnek. Így megteremtődött a víz folyadékkristályos szerkezetének távoli információs kölcsönhatása különféle természetű tárgyakkal elektromágneses, akusztikus és egyéb mezők segítségével. Egy személy is lehet befolyásoló tárgy.

A víz rendkívül gyenge és gyenge váltakozó elektromágneses sugárzás forrása. A legkevésbé kaotikus elektromágneses sugárzást a strukturált víz hozza létre. Ebben az esetben a megfelelő elektromágneses tér indukciója léphet fel, amely megváltoztatja a biológiai objektumok szerkezeti és információs jellemzőit.

Az elmúlt években fontos adatok születtek a túlhűtött víz tulajdonságairól. Nagyon érdekes a vizet alacsony hőmérsékleten vizsgálni, mert jobban túlhűthető, mint más folyadékok. A víz kristályosodása általában bizonyos inhomogenitásokon kezdődik - akár az edény falán, akár a szilárd szennyeződések lebegő részecskéin. Ezért nem könnyű megtalálni azt a hőmérsékletet, amelyen a túlhűtött víz spontán kristályosodna. De a tudósoknak sikerült ezt megtenniük, és most az úgynevezett homogén gócképződés hőmérséklete, amikor a jégkristályok képződése egyidejűleg megy végbe a teljes térfogatban, 0,3 GPa nyomásig ismert, vagyis a jég létezési területeinek rögzítése. II.

A légköri nyomástól az I. és II. jeget elválasztó határig ez a hőmérséklet 231 K-ről 180 K-re csökken, majd enyhén 190 K-re emelkedik. E kritikus hőmérséklet alatt folyékony víz elvileg lehetetlen.

A jég szerkezete (jobb oldali kép)

Ezzel a hőmérséklettel azonban van egy rejtély. A nyolcvanas évek közepén felfedezték az amorf jég új változatát - a nagy sűrűségű jeget, és ez segített újraéleszteni a víz két állapot keverékének gondolatát. Prototípusként nem kristályos szerkezeteket, hanem különböző sűrűségű amorf jégszerkezeteket vettek figyelembe. A legérthetőbb formában ezt a koncepciót E.G. Poniatovsky és V.V. Sinicin, aki 1999-ben írta: „A vizet két komponens szabályos megoldásának tekintik, amelyek helyi konfigurációi megfelelnek az amorf jég rövid távú módosulási sorrendjének. Sőt, a túlhűtött vízben nagy nyomáson, neutrondiffrakciós módszerekkel vizsgálva a rövid hatótávolságú rendet a tudósok megtalálhatták az ezeknek a struktúráknak megfelelő komponenseket.

Az amorf jegek polimorfizmusából adódóan a feltételezett alacsony hőmérsékleti kritikus pont alatti hőmérsékleten a víz két egymással nem elegyedő komponensre való rétegződésére vonatkozó feltételezések is születtek. Sajnos a kutatók szerint ez a hőmérséklet 0,017 GPa nyomáson 230 K, ami a gócképződési hőmérséklet alatt van, így a folyékony víz szétválását még senkinek nem sikerült megfigyelnie. Így a kétállapotú modell újjáéledése felvetette a folyékony vízben a hidrogénkötések hálózatának inhomogenitásának kérdését. Ez a heterogenitás csak számítógépes szimulációk segítségével érthető meg.

A víz kristályszerkezetéről szólva meg kell jegyezni, hogy a 14 jégmódosítások, amelyek többsége nem található meg a természetben, amelyben a vízmolekulák megőrzik egyéniségüket és hidrogénkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. Másrészt a klatrát-hidrátok hidrogénkötési hálózatának számos változata létezik. Ezeknek a hálózatoknak (nagynyomású jegek és klatrát-hidrátok) energiái nem sokkal nagyobbak, mint a köbös és hatszögletű jégkék energiái. Ezért az ilyen szerkezetek töredékei a folyékony vízben is megjelenhetnek. Számtalan különböző nem periodikus töredéket lehet tervezni, amelyek molekuláinak négy legközelebbi szomszédja van, amelyek megközelítőleg a tetraéder csúcsai mentén helyezkednek el, de szerkezetük nem felel meg a jég ismert módosulatainak szerkezetének. Számos számítás kimutatta, hogy az ilyen fragmensekben a molekulák kölcsönhatási energiái közel lesznek egymáshoz, és nincs okunk azt állítani, hogy a folyékony vízben valamilyen struktúra érvényesüljön.

A víz szerkezeti vizsgálatait különféle módszerekkel lehet tanulmányozni; proton mágneses rezonancia spektroszkópia, infravörös spektroszkópia, röntgendiffrakció stb. Sokszor tanulmányozták például a röntgensugárzás és a neutronok vízben való diffrakcióját. Ezek a kísérletek azonban nem adhatnak részletes információt a szerkezetről. Kis szögű röntgen- és neutronszórásból a sűrűségben eltérő inhomogenitásokat lehetett látni, de az ilyen inhomogenitásoknak nagynak, több száz vízmolekulából állónak kell lenniük. Lehetséges lenne látni őket, és megvizsgálni a fényszóródást. A víz azonban kivételesen tiszta folyadék. A diffrakciós kísérletek egyetlen eredménye a radiális eloszlásfüggvények, vagyis az oxigén, hidrogén és oxigén-hidrogén atomok közötti távolságok. Látható belőlük, hogy a vízmolekulák elrendezésében nincs hosszú távú rend. Ezek a funkciók sokkal gyorsabban bomlanak le víznél, mint a legtöbb más folyadéknál. Például az oxigénatomok közötti távolságok eloszlása ​​szobahőmérséklethez közeli hőmérsékleten csak három maximumot ad, 2,8, 4,5 és 6,7 Å-nél. Az első maximum a legközelebbi szomszédok távolságának felel meg, értéke pedig megközelítőleg megegyezik a hidrogénkötés hosszával. A második maximum közel van a tetraéder élének átlagos hosszához - ne feledjük, hogy a hatszögletű jégben lévő vízmolekulák a tetraéder csúcsaiban helyezkednek el, a központi molekula körül. A harmadik maximum pedig nagyon gyengén kifejezve a hidrogénrács harmadik és távolabbi szomszédjaitól való távolságnak felel meg. Ez a maximum önmagában nem túl fényes, és további csúcsokról nem is kell beszélni. Voltak kísérletek részletesebb információk beszerzésére ezekből a disztribúciókból. Tehát 1969-ben I.S. Andrianov és I.Z. Fisher a nyolcadik szomszédig találta meg a távolságokat, míg az ötödik szomszédig 3 Å, a hatodikig pedig 3,1 Å lett. Ez lehetővé teszi a vízmolekulák távoli környezetére vonatkozó adatok készítését.

Egy másik módszer a szerkezet tanulmányozására - a neutron diffrakció vízkristályokon pontosan ugyanúgy történik, mint a röntgendiffrakció. Mivel azonban a neutronszórási hosszak nem térnek el annyira a különböző atomok esetében, az izomorf szubsztitúciós módszer elfogadhatatlanná válik. A gyakorlatban általában olyan kristállyal dolgoznak, amelynek molekulaszerkezetét más módszerekkel már megközelítőleg megállapították. Ezután megmérjük a neutron diffrakciós intenzitását ennél a kristálynál. Ezen eredmények alapján Fourier-transzformációt hajtanak végre, amely során a mért neutronintenzitásokat és fázisokat használjuk fel, a nem hidrogénatomok figyelembevételével számolva, pl. oxigénatomok, amelyek helyzete a szerkezetmodellben ismert. Ekkor az így kapott Fourier-térképen a hidrogén- és a deutériumatomok sokat ábrázolnak nagy súlyok mint az elektronsűrűség térképen, mert ezeknek az atomoknak a hozzájárulása a neutronszóráshoz igen nagy. Ebből a sűrűségtérképből meg lehet határozni például a hidrogénatomok (negatív sűrűség) és a deutériumatomok (pozitív sűrűség) helyzetét.

Ennek a módszernek egy változata lehetséges, ami abból áll, hogy a vízben képződött kristályt a mérés előtt nehézvízben tartják. Ebben az esetben a neutrondiffrakció nemcsak annak meghatározását teszi lehetővé, hogy hol helyezkednek el a hidrogénatomok, hanem feltárja azokat is, amelyek deutériumra cserélhetők, ami különösen fontos az izotóp (H-D) csere vizsgálata során. Az ilyen információk segítenek megerősíteni a szerkezet felállításának helyességét.

Más módszerek is lehetővé teszik a vízmolekulák dinamikájának vizsgálatát. Ezek kvázi elasztikus neutronszórásos kísérletek, ultragyors IR spektroszkópia és a víz diffúziójának vizsgálata NMR vagy jelölt deutérium atomok segítségével. Az NMR-spektroszkópia módszere azon a tényen alapul, hogy a hidrogénatom atommagjának mágneses momentuma van - egy spin, amely kölcsönhatásba lép a mágneses mezőkkel, állandó és változó. Az NMR spektrumból meg lehet ítélni, hogy ezek az atomok és magok milyen környezetben helyezkednek el, így információt kaphatunk a molekula szerkezetéről.

A vízkristályokban a neutronok kvázi elasztikus szórásával kapcsolatos kísérletek eredményeként a legfontosabb paramétert, az öndiffúziós együtthatót mérték meg különböző nyomásokon és hőmérsékleteken. Ahhoz, hogy az öndiffúziós együtthatót a neutronok kvázi elasztikus szóródása alapján meg lehessen ítélni, fel kell tételezni a molekulamozgás természetéről. Ha a Ya.I. Frenkel (ismert hazai elméleti fizikus, a sok nyelvre lefordított, klasszikus könyv, a Folyadékok kinetikai elmélete szerzője), ugrás-várakozás modellnek is nevezett, majd a „letelepedett” élet ideje (az ugrások közötti idő) egy molekula 3,2 pikoszekundum. A femtoszekundumos lézerspektroszkópia legújabb módszerei lehetővé tették a megszakadt hidrogénkötés élettartamának becslését: 200 fs szükséges ahhoz, hogy egy proton partnert találjon. Ezek azonban mind átlagok. A vízmolekulák szerkezetének és mozgásának részleteit csak számítógépes szimuláció segítségével lehet tanulmányozni, amelyet néha numerikus kísérletnek is neveznek.

Így néz ki a víz szerkezete a számítógépes szimuláció eredményei alapján (G. G. Malenkov kémiai tudományok doktora adatai szerint). Az általános rendezetlen szerkezet kétféle régióra osztható (sötét és világos golyókkal), amelyek szerkezetükben különböznek, például a Voronoi poliéder térfogatában (a), a legközelebbi környezet tetraéderességi fokában ( b), a potenciális energia értéke (c), valamint minden molekulában négy hidrogénkötés jelenlétében (d). Ezek a területek azonban szó szerint egy pillanat alatt, néhány pikoszekundum után megváltoztatják a helyüket.

A szimuláció így történik. A jég szerkezetét felvesszük és addig melegítjük, amíg el nem olvad. Majd egy idő után, amíg a víz "elfelejti" a kristályos eredetet, azonnali mikrofelvételeket készítenek.

A víz szerkezetének elemzéséhez három paramétert választanak ki:
- a molekula lokális környezetének a szabályos tetraéder csúcsaitól való eltérésének mértéke;
-molekulák potenciális energiája;
az úgynevezett Voronoi poliéder térfogata.

Ennek a poliédernek az elkészítéséhez az adott molekulától a legközelebbi élhez kell venni, ketté kell osztani, és ezen a ponton át kell rajzolni egy, az élre merőleges síkot. Ez a molekulánkénti térfogat. A poliéder térfogata a sűrűsége, a tetraéderesség a hidrogénkötések torzulásának mértéke, az energia a molekulák konfigurációjának stabilitásának foka. Azok a molekulák, amelyeknek mindegyik paramétere közel van, hajlamosak külön klaszterekbe csoportosulni. Mind az alacsony, mind a nagy sűrűségű régiókban van különböző értékeket energiát, de ugyanazok az értékek lehetnek. Kísérletek kimutatták, hogy a különböző szerkezetű régiók, klaszterek spontán keletkeznek és spontán bomlanak. A víz teljes szerkezete él és folyamatosan változik, és nagyon rövid az az idő, amely alatt ezek a változások bekövetkeznek. A kutatók követték a molekulák mozgását, és megállapították, hogy szabálytalan oszcillációkat hajtanak végre, körülbelül 0,5 ps frekvenciával és 1 angström amplitúdóval. Ritka lassú ugrós ugrásokat is megfigyeltek, amelyek pikoszekundumig tartanak. Általában 30 ps-ben egy molekula 8-10 angströmet képes mozgatni. A helyi környezet élettartama is kicsi. A Voronoi-poliéderhez közeli térfogatú molekulákból álló régiók 0,5 ps alatt bomlhatnak le, és több pikoszekundumig is élhetnek. De a hidrogénkötések élettartamának eloszlása ​​nagyon nagy. De ez az idő nem haladja meg a 40 ps-t, és az átlagos érték több ps.

Összegzésként hangsúlyozni kell, hogy A víz klaszterszerkezetének elmélete számos buktatót rejt magában. Például Zenin azt sugallja, hogy a víz fő szerkezeti eleme egy 57 molekulából álló klaszter, amely négy dodekaéder fúziójával jön létre. Közös arcuk van, középpontjuk szabályos tetraédert alkot. Az a tény, hogy a vízmolekulák egy ötszögletű dodekaéder csúcsaiban is elhelyezkedhetnek, régóta ismert; egy ilyen dodekaéder a gázhidrátok alapja. Ezért nincs semmi meglepő abban a feltételezésben, hogy ilyen struktúrák léteznek a vízben, bár már elhangzott, hogy egyetlen struktúra sem lehet domináns és hosszú ideig létezhet. Ezért furcsa, hogy ezt az elemet feltételezik a fő elemnek, és pontosan 57 molekula lép bele. Golyókból például össze lehet állítani ugyanazokat a struktúrákat, amelyek egymás melletti dodekaéderekből állnak, és 200 molekulát tartalmaznak. Zenin ezzel szemben azt állítja, hogy a víz háromdimenziós polimerizációjának folyamata 57 molekulánál megáll. Nagyobb munkatársak véleménye szerint nem kellenek. Ha azonban ez így lenne, a hatszögletű jégkristályok, amelyek hatalmas számú molekulát tartalmaznak, amelyeket hidrogénkötés köt össze, nem tudna kicsapódni a vízgőzből. Teljesen homályos, hogy a Zenin-klaszter növekedése miért állt meg 57 molekulánál. Az ellentmondások elkerülése végett a Zenin a klasztereket is bonyolultabb képződményekbe - romboéderekbe - csomagolja csaknem ezer molekulából, és a kezdeti klaszterek nem képeznek egymással hidrogénkötést. Miért? Miben különböznek a felületükön lévő molekulák a benne lévőktől? Zenin szerint a hidroxilcsoportok mintázata a romboéderek felszínén biztosítja a víz emlékét. Következésképpen ezekben a nagy komplexekben a vízmolekulák mereven rögzítettek, maguk a komplexek pedig szilárd anyagok. Az ilyen víz nem fog folyni, és az olvadáspontja, amely a molekulatömeghez kapcsolódik, meglehetősen magas kell hogy legyen.

A víz milyen tulajdonságait magyarázza a Zenin-modell? Mivel a modell tetraéderes struktúrákon alapul, többé-kevésbé konzisztens lehet a röntgen- és neutrondiffrakciós adatokkal. Nem valószínű azonban, hogy a modell megmagyarázza a sűrűség olvadás közbeni csökkenését - a dodekaéderek tömöttsége kevésbé sűrű, mint a jég. De a legnehezebb egy olyan modellel egyetérteni, amely dinamikus tulajdonságokkal rendelkezik - folyékonyság, nagy öndiffúziós együttható, rövid korreláció és dielektromos relaxációs idők, amelyeket pikoszekundumban mérnek.

Ph.D. O.V. Mosin

Referenciák:
G.G. Malenkov. Haladás a fizikai kémiában, 2001
S.V. Zenin, B.M. Polanuer, B.V. Tyaglov. Vízfrakciók jelenlétének kísérleti bizonyítása. G. Homeopátiás gyógyászat és akupunktúra. 1997. No. 2. P. 42-46.
S.V. Zenin, B.V. Tyaglov. A vízmolekulák társult elemeinek szerkezetének hidrofób modellje. Zh.Phys.chemistry.1994.T.68.No.4.S.636-641.
S.V. Zenin A víz szerkezetének vizsgálata proton mágneses rezonancia módszerével. Dokl.RAN.1993.T.332.No.3.S.328-329.
Sz.V.Zenin, B.V.Tjaglov. A hidrofób kölcsönhatás természete. Orientációs mezők előfordulása vizes oldatokban. J.Phys.chemistry.1994.T.68.No.3.S.500-503.
S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, G.B. Szergejev, Z.A. Shabarova. Nukleotid-amidok intramolekuláris kölcsönhatásainak vizsgálata NMR-rel. A 2. Összszövetségi Konf. anyagai. Dinamikusan Sztereokémia. Odessza.1975.53.o.
S.V. Zenin. A víz strukturált állapota, mint az élő rendszerek viselkedésének és biztonságának kezelésének alapja. Tézis. a biológiai tudományok doktora. Állami Tudományos Központ "Orvosbiológiai Problémák Intézete" (SSC "IMBP"). Védve 1999. 05. 27. ETO 577.32:57.089.001.66.207 p.
AZ ÉS. Slesarev. Kutatási előrehaladási jelentés

Víz - szervetlen anyag, melynek molekulái két hidrogénatomból és egy oxigénatomból állnak. A víz mennyisége nem azonos a különböző szervezetekben. A víz legnagyobb része medúza (95-98%), algák (több mint 80%), legkevesebb rovar (40-50%), zuzmó-tallus (5-7%) testét tartalmazza. Az emlősök testében a víz átlagosan 75% -a, beleértve az embert is - a testtömeg 60-65% -a. A víz mennyisége nem azonos ugyanannak a szervezetnek a különböző szöveteiben és szerveiben. Például emberben a szövetek és szervek víztartalma a következő: vér (83,0%), vese (82,7%), szív (79,2%), tüdő (79,0%), izmok (75,6%), agy 74,8%), bőr (72,0%), csontváz (22,0%), zsírszövet (10,0%).

A víz nagy része (a térfogat 70%-a) szabad és kötött formában van a test sejtjeiben, kisebb része (a térfogat 30%-a) a test extracelluláris terében mozog és szabad állapotban van. kötött víz(4 5%) lehet ozmotikusan kötött (víz kötésekben ionokkal és kis molekulatömegű vegyületekkel), kolloid kötéssel (a víz a nagy molekulatömegű vegyületek belső és felületi kémiai csoportjaival egyaránt kötésben van) és szerkezetileg kötött (víz zárt térben) összetett szerkezetű, nagy molekulatömegű biopolimerek). ingyenes víz(95-96%) univerzális oldószer.

A víz értéke . Mennyiségileg a víz az első helyen áll bármely sejt kémiai vegyületei között. A víz jelenléte az élőlények életének előfeltétele. Milyen funkciókat lát el a Földön ez a leggyakoribb anyag a biorendszerekben?

A víz az univerzális oldószer ionos és sok kovalens vegyület esetében biztosítja a kémiai reakciók lefolyását, az anyagok sejtbe és onnan történő szállítását.

Víz - reagens, amelyek részvételével a sejtekben hidrolízis és hidratációs reakciók, redox és sav-bázis reakciók mennek végbe.

Víz - hőszabályozó, fenntartja az élőlények optimális hőrendszerét, és biztosítja a hő egyenletes eloszlását az élő rendszerekben.

Víz - ozmoregulátor, amely biztosítja a sejtek alakját, a szállítás nem szerves anyag.

Víz - támogatás, biztosítja a sejtek rugalmas állapotát (turgor), lengéscsillapítóként működik a test mechanikai behatásaitól, számos állatban ellátja a vízváz funkcióját.

Víz - a közlekedési eszközök, kommunikációt folytat a sejtekben, a sejtek, szövetek, szervek között és biztosítja a szervezet egészének homeosztázist és működését.

Víz - élőhely vízi élőlényeknél passzív mozgást, külső megtermékenyítést, szárazföldi élőlények magjainak, ivarsejtjeinek és lárvaállapotának szétszórását végzik benne.

Víz - konformer, nagy jelentősége van a biopolimerek térszerkezetének (konformációjának) szerveződésében.

A víz tulajdonságai. A víz szerepét a biorendszerekben fizikai-kémiai tulajdonságai határozzák meg.

■ A tiszta vizet az átlátszóság, az íz, a szín, a szag hiánya jellemzi. A természetes víz mindig tartalmaz különféle szennyeződéseket: az oldott anyagokat ionok formájában, a fel nem oldott anyagokat szuszpenzió formájában. A víz az egyetlen olyan anyag a Földön, amely egyszerre és nagy mennyiségben fordul elő folyékony, szilárd és gáz halmazállapotban.

■ A víz sűrűsége 4°C-on a maximális és 1g/cm3. A hőmérséklet csökkenésével a sűrűség csökken, így jég úszik a víz felszínén.

■ A víz fajhője rendkívül magas (4,17 J/GC), párolgáshője (100 °C-on – 2253 J/g), olvadáshője (0 °C-on – 333,98 J/g).

■ A víz rendkívül nagy felületi feszültséggel rendelkezik a molekulák közötti hidrogénkötések kialakulásához kapcsolódó erőteljes kohéziós (kohéziós) erők miatt.

■ Vízhez jellemző tulajdonság tapadás (tapadás), ami gravitációs erőkkel szembeni felemelés esetén nyilvánul meg.

■ A folyékony halmazállapotú vízre a folyékonyság, nem összenyomódás jellemző, ez okozza a jelenségeket ozmózisés turgor.

■ A víz amfoter tulajdonságokkal rendelkezik, azaz mind sav, mind bázis tulajdonságait mutatja, és részt vesz a sav-bázis reakciókban.

■ A víz redukálószerként és oxidálószerként is képes működni, az anyagcsere biológiailag fontos redox reakcióit végrehajtva.

■ A vízmolekulák polárisak, ennek köszönhetően részt vesznek a hidratációs reakciókban, biztosítva számos kémiai vegyület oldódását.

■ A víz részt vesz a biológiailag fontos bomlási reakciókban – reakciókban hidrolízis.

■ A vízmolekulák képesek ionokká disszociálni: H2O = H + + OH.

A vízmolekulák szerkezetének jellemzői. Egyedi tulajdonságok a vizet molekuláinak szerkezete határozza meg.

A vízmolekulában minden hidrogénatom egy oxigénatomon található. kovalens kötés, melynek energiája közel 110 kcal/mol. Ennek köszönhetően a víz nagyon stabil kémiai vegyület. A vízgőz 1000 °C feletti hőmérsékleten O-ra és H-ra bomlik.

Egy vízmolekulában a négy elektronpárból kettő kovalens kötéssel jön létre, és két pozitív töltésű pólus kialakításával a molekula egyik oldalára tolódik el. A másik két pár pedig osztatlan marad, és az oxigénatom magjához képest az ellenkező oldalra tolódik el, ahol két negatív töltésű pólust alkotnak.

Tehát a vízmolekulák polárisak.

A polaritás miatt a szomszédos vízmolekulák kölcsönhatásba léphetnek egymással és poláros anyagok molekuláival, és kialakulhatnak hidrogénkötések, egyedi okozója fizikai tulajdonságokés a víz biológiai funkciói. Ennek a kötésnek az energiája a kovalens kötés energiájához képest kicsi. Mindössze 4,5 kcal/mol, és a hőmozgásnak köszönhetően ezek a kötések a vízmolekulák között folyamatosan jönnek létre és szakadnak meg. Hidrogénkötések - ezek két kovalens kötésű atom közötti, nagy elektronegativitás értékű kötések (Ó, N, F) a hidrogénatomon keresztül H. Általában egy hidrogénkötést három ponttal jelölünk, és ezt jelöljük , hogy ő sokkal gyengébb ; mint kovalens kötés (kb 15-20 alkalommal).

A hidrogénkötések meghatározó szerepet játszanak a víz sajátos kvázi és kristályos szerkezetének kialakításában. A modern fogalmak szerint a víz szerkezetének alapja az kristálysejt a szabad vízmolekulák hőmozgástól elkenődött részével. A szilárd halmazállapotú vizet molekuláris kristályrácsok jellemzik, mivel a kristályok hidrogénkötésekkel összekapcsolt molekulákból épülnek fel. A kristályrács elemeinek jelenléte, valamint a vízmolekulák dipólus jellege határozza meg a víz relatív permittivitásának igen magas értékét.

A folyékony vízmolekulák polimerizációra vagy asszociációra képesek (Н2О) n. Sűrű asszociátumok képződése +4 C-on megy végbe, ami megmagyarázza a víz nagy sűrűségét ezen a hőmérsékleten. Hevítéskor a hidrogénkötések megsemmisülnek, és az asszociációk elkezdenek felhasadni, mivel a hőmozgás energiája e kötések energiájától megnő. A kötések feltörése sok energiát igényel, ezért a víz magas forráspontja és fajlagos hőkapacitása. Ez elengedhetetlen az élőlények számára a környezeti hőmérséklet ingadozása során.

A víz röntgendiffrakciós elemzése megállapította, hogy a jégszerkezet töredékei folyékony vízben maradnak. 20°C-os hőmérsékleten a molekulák körülbelül 70%-a vízben van, aggregátumok formájában, amelyek egyenként átlagosan 57 molekulát tartalmaznak. Az ilyen egységeket ún klaszterek. A klasztert alkotó vízmolekulák kötöttek és metabolikusan inertek. Csak a szabad vízmolekulák játszanak aktív szerepet a metabolikus reakciókban. Ha sok klaszter van, ez a víz immobilizációjához, azaz a szabad víz kizárásához, az enzimatikus folyamatok korlátozásához és a sejt funkcionális aktivitásának csökkenéséhez vezet.

BIOLÓGIA +Egyes elektrolitok, köztük a víz disszociációja során H-ionok képződnek + és ő - , melynek koncentrációja meghatározza az oldatok savasságát vagy bázikusságát, és ennek megfelelően számos biomolekula és életfolyamat szerkezeti jellemzőit, aktivitását. Ezt a koncentrációt a segítségével mérjük pH indikátor - pH. A pH a koncentráció negatív decimális logaritmusa

H-ionok + . Tiszta vízben ez a koncentráció 1-10 -7 mol/l (-napló 10 -7 = 7 ) . Ezért a víz semleges reakciója pH 7-nek, savas-pH-nak felel meg<7 и основной -pH>7. A pH-skála hossza 0 és 14 között van. A sejtekben a pH-érték enyhén lúgos. Egy vagy két egységgel történő megváltoztatása káros a cellára. A sejtekben a pH állandóságát elektrolitok keverékét tartalmazó pufferrendszerek tartják fenn. Gyenge savakból állnak. (donor H +) és a hozzá tartozó bázis (elfogadó H +) , amelyek ennek megfelelően megkötik a H ionokat + és OH kötések - , ami miatt a sejten belüli pH-reakció szinte nem változik.

hidrofil és hidrofób vegyületek. A vízmolekulákban két pár közös elektron az oxigén felé tolódik el, tehát elektromos töltés a molekulákon belül egyenlőtlenül oszlik el: a H + protonok az egyik póluson pozitív, az oxigén elektronpárok pedig az ellenkező póluson negatív töltést okoznak. Ezek a töltések egyenlő nagyságúak, és egymástól bizonyos távolságra helyezkednek el. Tehát a vízmolekula állandó dipól, amelyek kölcsönhatásba léphetnek a pozitív és negatív töltések hordozóival. A pólusok jelenléte a vízmolekulákban magyarázza a víz azon képességét kémiai reakciók hidratáció.

Polaritásuk miatt a vízmolekulák vízben oldódó anyagok molekuláihoz vagy ionjaihoz kapcsolódhatnak, így hidrátokat (víz vegyületei oldott anyaggal) képezhetnek. Ezek a reakciók exotermek, és a hidrolízis reakciókkal ellentétben a hidratációt nem kíséri hidrogén- vagy hidroxidionok képződése.

Amikor a vízmolekulák kölcsönhatásba lépnek poláris anyagok molekuláival, a vízmolekulák vonzása egy másik anyaghoz meghaladja a vízmolekulák közötti vonzás energiáját. Ezért az ilyen vegyületek molekulái vagy ionjai beépülnek a víz általános hidrogénkötési rendszerébe. hidrofil anyagok - Ezek poláris anyagok, amelyek vízben jól oldódnak. Ezek oldható kristályos sók, monoszacharidok, bizonyos aminosavak, nukleinsavak stb.

A vízmolekulák és a nem poláris anyagok molekuláinak kölcsönhatása esetén a bennük lévő vízmolekulák vonzási energiája kisebb lesz, mint a hidrogénkötések energiája. A nem poláris molekulák megpróbálják elszigetelni magukat a vízmolekuláktól, csoportosulnak és kiszorulnak a vizes oldatból. Hidrofób anyagok - Ezek nem poláris anyagok, amelyek nem oldódnak vízben. Ezek oldhatatlan ásványi sók, lipidek, poliszacharidok, bizonyos fehérjék stb. Egyes szerves molekulák kettős tulajdonságokkal rendelkeznek: egyes területeken a poláris csoportok koncentrálódnak, máshol a nem polárisak. Ez sok fehérje, foszfolipid. hívták őket amfifil anyagok.

Ahol szén van, ott sokféle szerves anyag található, ahol szén van, ott a molekuláris felépítés szempontjából a legkülönfélébb szerkezetek.

Egy fiatal vegyész enciklopédiája

A víz összetételét az elektromos árammal végzett bomlási reakció segítségével határozhatjuk meg. Egy térfogat oxigénre két térfogat hidrogén képződik (a gáz térfogata arányos az anyag mennyiségével):

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

A víz molekulákból áll. Minden molekula két hidrogénatomot tartalmaz, amelyek kovalens kötéssel kapcsolódnak egy oxigénatomhoz. A kötések közötti szög körülbelül 105°:
O-H
H

Mivel az oxigén egy elektronegatívabb elem (erős oxidálószer), a kovalens kötés közös elektronpárja az oxigénatom felé tolódik el, rajta δ− részleges negatív töltés, δ+ részleges pozitív töltés jön létre. hidrogénatomok. A szomszédos molekulákat ellentétes töltések vonzzák egymáshoz - ez egy viszonylagos magas hőmérsékletű forrásban lévő víz.

A víz szobahőmérsékleten színtelen átlátszó folyadék. Olvadáspont 0º C, forráspont légköri nyomáson - 100 °C. A tiszta víz nem vezet elektromosságot.

A víz érdekes tulajdonsága, hogy a legnagyobb sűrűsége 1 g / cm 3 körülbelül 4 °C hőmérsékleten. A hőmérséklet további csökkenésével a víz sűrűsége csökken. Ezért a tél beálltával a felső fagyos vízrétegek világosabbá válnak, és nem süllyednek le. Jég képződik a felszínen. A tározó lefagyása általában nem történik meg (a jégnek is van sűrűsége kevesebb vizetés lebeg a felszínen).

Kémiai tulajdonságok :

fő szennyező anyagokra természetes víz ide tartoznak az ipari vállalkozások szennyvizei, amelyek higanyvegyületeket, arzént és más mérgező elemeket tartalmaznak. Az állattenyésztési komplexumokból és városokból származó szennyvíz olyan hulladékot tartalmazhat, amely a baktériumok gyors fejlődését okozza. A természetes víztestekre nagy veszélyt jelent a nem megfelelő tárolás (ami nem nyújt védelmet csapadék) vagy a víztestekbe mosott műtrágyák és növényvédő szerek használata. A közlekedés, különösen a víz, szennyezi a víztesteket olajtermékekkel ill Háztartási hulladék gátlástalan emberek közvetlenül a vízbe dobták.

A vízvédelem érdekében szükséges az ipari vállalkozások zárt vízellátásának bevezetése, a nyersanyagok és hulladékok komplex feldolgozása, tisztító létesítmények építése, a lakosság környezeti nevelése.

* A víz elektrolíziséhez sóoldatokat használnak

2. Tapasztalat. A szénsav sójának felismerése a három javasolt só között.

A karbonátokra adott minőségi reakció a savakkal való kölcsönhatás, amelyet gyors szén-dioxid felszabadulás kísér:

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

vagy ionos formában:

CO 3 2− + 2H + = H 2 O + CO 2

Bebizonyítható, hogy a szén-monoxid (IV) szabadul fel a mészvíz oldatán keresztül, ami zavarossá teszi:

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

A szénsav sójának felismeréséhez mindhárom kémcsőbe öntsünk egy kis savat (hogy „felforrva” ne csorduljon túl). Ahol színtelen, szagtalan gáz szabadul fel, ott karbonát van.

A víz a leggyakoribb és leggyakoribb anyag az életünkben. Az emberi szervezet 70%-ban vízből áll, és a minket körülvevő természetes környezet is 70%-ban vizet tartalmaz.

Tól től iskolai tankönyvek tudjuk, hogy egy vízmolekula egy oxigénatomból és két hidrogénatomból áll, i.e. az egyik legkisebb és legkönnyebb molekula. A víz állandóan használt tulajdonságainak minden rutinszerűsége és számunkra nyilvánvalósága mellett a folyékony víz paradoxonai még a földi életformákat is meghatározzák.

A folyékony víz sűrűsége nagyobb, mint a jégé. Ezért fagyáskor megnő a jég térfogata, jég lebeg a víz felszínén.

A víz sűrűsége 4 ° C-on a legnagyobb, és nem az olvadásponton, ettől a hőmérséklettől jobbra és balra is csökken.

A víz viszkozitása a nyomás növekedésével csökken.

A víz forráspontja kívül esik a forráspontnak az anyagok molekulatömegétől való általános függésén (1.1. ábra). Ellenkező esetben a hőmérséklet nem lehet magasabb, mint 60 o C.

A víz hőkapacitása legalább kétszerese bármely más folyadékénak.

A párolgáshő (~ 2250 kJ/kg) legalább háromszor nagyobb, mint bármely más folyadéké, nyolcszor nagyobb, mint az etanolé.

Tekintsük a víz utolsó tulajdonságát. A párolgási hő az az energia, amely a molekulák közötti kötések megszakításához szükséges, amikor a kondenzált fázisból a gázhalmazállapotúba kerülnek. Ez azt jelenti, hogy az összes paradox tulajdonság oka a víz intermolekuláris kötéseinek természetében rejlik, és ezt viszont a vízmolekula szerkezete határozza meg.

1.1. Különböző vegyületek molekulatömegének és forráspontjaik arányának tartománya.

1. Mi az a vízmolekula?

1780-ban Lavoisier kísérletileg megállapította, hogy a víz oxigénből és hidrogénből áll, két térfogat hidrogén kölcsönhatásba lép egy térfogat oxigénnel, és a hidrogén és az oxigén tömegének aránya a vízben 2:16. 1840-re világossá vált, hogy a víz molekulaképlete H 2 O.

Egy molekulában három atommag egyenlő szárú háromszöget alkot két protonnal az alapon (1.2. ábra). Elektronikus képlet vízmolekulák [(1S 2)] [(1S 2)(2S 2) (2P 4)].

1.2. ábra.Kötési rendszer kialakítása m.o. az oxigénatom 2p pályáiról és 1s-az oxigénatom pályái és 1s-hidrogénatomok pályái.

A hidrogén 1s két elektronjának részvétele miatt két elektron 2p oxigénnel kapcsolatban sp hibridizáció következik be, és hibrid sp 3 pályák jönnek létre, amelyek között 104,5 °-os jellemző szög, valamint két ellentétes töltésű pólus. Hossz O-N csatlakozások 0,95 A (0,095 nm), a protonok közötti távolság 1,54 A (0,154 nm). Az 1.3. ábra a vízmolekula elektronikus modelljét mutatja.

1.3. ábra. A H-molekula elektronikus modellje 2 O.

Nyolc elektron párban forog négy, három síkban elhelyezkedő pályán (90-es szög ról ről ), amelyek beleférnek a kockába. 1, 2 - magányos elektronpárok.

Ennek a megfontolásnak a legfontosabb következménye: a töltéseloszlás aszimmetriája a H 2 O molekulát dipólussá változtatja: két pozitív végén protonok, két negatív végén pedig megosztatlan oxigén p-elektronpárok találhatók.

Így a vízmolekula háromszög alakú piramisnak tekinthető - tetraédernek, amelynek sarkaiban négy töltés van elhelyezve - két pozitív és két negatív.

Ezek a töltések a szomszédos vízmolekulák szigorúan meghatározott módon forgatásával alkotják közvetlen környezetüket - úgy, hogy két oxigénatom között mindig csak egy hidrogénatom legyen. A legkönnyebb elképzelni és tanulmányozni egy ilyen intermolekuláris szerkezetet szilárd vízen. Az 1.4. ábra a jég szerkezetét mutatja.

Rizs. 1.4. A jég hatszögletű szerkezete

A szerkezetet O-H...O kötések tartják össze. A szomszédos vízmolekulák két oxigénatomjának egy hidrogénatom által közvetített kapcsolatát hidrogénkötésnek nevezzük.

A hidrogénkötés a következő okokból következik be:

1 - a protonnak csak egy elektronja van, így két atom elektrontaszítása minimális. A proton egyszerűen belemerül a szomszédos atom elektronhéjába, 20-30%-kal (akár 1 Å-ig) csökkentve az atomok közötti távolságot;

2 - a szomszédos atomnak nagy elektronegativitással kell rendelkeznie. Hagyományos értelemben (Pauling szerint) az F elektronegativitás 4,0; 0-3,5, N-3,0, Cl-3,0, C-2,5, S-2,5.

Egy vízmolekulában négy hidrogénkötés lehet, kettőben elektrondonorként, kettőben elektronakceptorként működik. És ezek a kötések létrejöhetnek mind a szomszédos vízmolekulákkal, mind más anyagokkal.

Tehát a dipólus pillanat szög H-O-H az О-Н…О hidrogénkötés pedig meghatározza a víz egyedi tulajdonságait, és nagy szerepet játszik a minket körülvevő világ alakításában.

A Mayer-sejt feladata a vízmolekulák „könnyű” lebontása elektromágneses sugárzással kísért elektromos áram hatására.

A megoldáshoz találjuk ki, mi az a víz? Mi a vízmolekulák szerkezete? Mit tudunk a vízmolekulákról és kötéseikről? A cikkben különféle publikációkat használtam fel, amelyek kellő mennyiségben elérhetőek az interneten, de ezeket nagy számban reprodukálják, így számomra nem világos, hogy ki a szerzőjük, és hülyeség a forrásra hivatkozni. Ráadásul ezek a kiadványok szégyenig "zavaróak", ami megnehezíti az észlelést, és jelentősen megnöveli a tanulási időt. A cikkeket elemezve kivontam valamit, ami segíthet megérteni, mivel foglalkozunk az olcsó energia kinyerésének folyamatában, vagy inkább a vízmolekulák komponensekre - hidrogénre és oxigénre - felosztása során.

Nézzük tehát a vízmolekulák szerkezetére vonatkozó legjelentősebb fogalmakat!

A víz olyan anyag, amelynek fő szerkezeti egysége a H 2 O molekula, amely egy oxigénatomból és két hidrogénatomból áll.

A vízmolekula egy egyenlő szárú háromszög szerkezetű: ennek a háromszögnek a tetején egy oxigénatom, az alján pedig két hidrogénatom található. A csúcsszög 104°27, az oldalhossz 0,096 nm. Ezek a paraméterek a vízmolekula hipotetikus egyensúlyi állapotára vonatkoznak, rezgései és forgásai nélkül. A vízmolekula geometriája és elektronpályái az ábrán láthatók.

A vízmolekula egy dipólus, amely pozitív és negatív töltéseket tartalmaz a pólusokon. Ha egy „szabad” vízmolekulát, amely nem kapcsolódik más molekulákhoz, elektromos térbe helyezünk, akkor negatív pólusaival az elektromos tér pozitív lemeze felé, pozitív pólusaival a negatív lemez felé „fordul”. Ezt a folyamatot ábrázolja az 1. ábra - 3B pozíciója, amely elmagyarázza a Mayer-cella működését a „Víz benzin helyett” cikkben.

Ha összeköti a pozitív és negatív töltések epicentrumait egyenes vonalakkal, háromdimenziós geometriai alakzatot kap - egy szabályos tetraédert. Ez magának a vízmolekulának a szerkezete.

A hidrogénkötések jelenléte miatt minden vízmolekula hidrogénkötést hoz létre 4 szomszédos molekulával, áttört hálókeretet képezve a jégmolekulában. A vízmolekuláknak ezt a rendezett állapotát nevezhetjük „szerkezetnek”. Mindegyik molekula egyidejűleg négy hidrogénkötést tud kialakítani más molekulákkal, szigorúan meghatározott, 109°28′-nak megfelelő szögben, a tetraéderes csúcsok felé irányítva, ami nem teszi lehetővé sűrű szerkezet kialakulását fagyáskor.

A jég olvadásakor tetragonális szerkezete megsemmisül, és polimerek keveréke keletkezik, amely víz és szabad vízmolekulák tri-, tetra-, penta- és hexamereiből áll.

Folyékony halmazállapotában a víz rendezetlen folyadék. Ezek a hidrogénkötések spontánok, rövid életűek, gyorsan felszakadnak és újra kialakulnak.

A vízmolekulák tetraéderei csoportosítva sokféle térbeli és síkbeli struktúrát alkotnak.

A természetben található szerkezetek sokfélesége közül pedig az alap a hatszögletű (hatszögletű) szerkezet, amikor hat vízmolekula (tetraéder) egyesül egy gyűrűvé.

Ez a fajta szerkezet jellemző a jégre, hóra és olvadt vízre, amelyet egy ilyen szerkezet jelenléte miatt "strukturált víznek" neveznek. Sokat írnak a strukturált víz jótékony tulajdonságairól, de cikkünknek nem ez a témája. Logikus lenne, hogy a hatszögletű szerkezeteket alkotó strukturált víz a vízszerkezet legrosszabb változata, amely hidrogénre és oxigénre bontható. Hadd magyarázzam el, miért: A hatot hexamerbe csoportosító vízmolekulák elektromosan semleges összetételűek – a hexamereknek nincs pozitív és negatív pólusa. Ha egy strukturált víz hexamerjét elektromos térbe helyezzük, az semmilyen módon nem reagál rá. Ezért logikusan levonható az a következtetés, hogy szükséges, hogy minél kevesebb szervezett szerkezet legyen a vízben. Valójában ennek az ellenkezője igaz, a hexamer nem egy teljes szerkezet, van egy még érdekesebb fogalom - a klaszter.

Az egyesített vízmolekulák szerkezetét klasztereknek, az egyes vízmolekulákat pedig kvantumoknak nevezzük. A klaszter vízmolekulák tömeges vegyülete, beleértve a hexamereket is, amely pozitív és negatív pólusokkal is rendelkezik.

A desztillált vízben a klaszterek gyakorlatilag elektromosan semlegesek, mert a párolgás következtében a klaszterek tönkrementek, a kondenzáció következtében pedig nem alakultak ki erős kötések a vízmolekulák között. Az elektromos vezetőképességük azonban megváltoztatható. Ha a desztillált vizet mágneses keverővel keverjük, akkor a klaszterek elemei közötti kötések részben helyreállnak és a víz elektromos vezetőképessége megváltozik. Más szavakkal, A desztillált víz olyan víz, amelynek molekulái között minimális számú kötés van . Ebben a molekulák dipólusai téves állapotban vannak, ezért a desztillált víz dielektromos állandója nagyon magas, és rossz elektromos áramvezető. Ugyanakkor a vízklaszterek szabályozhatóságának növelésére savakat vagy lúgokat adnak hozzá, amelyek molekuláris kötésekben részt vesznek, nem engedik, hogy a vízmolekulák hatszögletű szerkezeteket alkossanak, így elektrolitokat képezzenek. A desztillált víz a strukturált víz ellentéte, amelyben nagyszámú kötés van a vízmolekulák között klaszterekben.

Az oldalamon vannak és fognak megjelenni olyan cikkek, amelyek első pillantásra „különállóak”, és semmi közük más cikkekhez. Valójában a webhely legtöbb cikke egyetlen egésszé kapcsolódik. Ebben az esetben a desztillált víz tulajdonságainak leírására az elektromos áram dipólus elméletét használom, ez az elektromos áram alternatív fogalma, amit a tudomány és a gyakorlat is jobban igazol, mint a klasszikus koncepció.

Az elektromos áramforrás energiájának kitéve a vízatomok összes dipólusa (mint vezető) elfordul, azonos nevű pólusait egy irányba irányítva. Ha a vízmolekulák a külső elektromos tér megjelenése előtt klaszteres (kölcsönösen orientált) struktúrát hoztak létre, akkor a külső elektromos térben történő orientációhoz az elektromos áramforrás minimális energiája szükséges. Ha a szerkezet nem volt szervezett (mint a desztillált víz), akkor nagyszámú energia.

Megjegyzendő, hogy „az emberek körében” van olyan vélemény, hogy a desztillált víznek és az olvadékvíznek azonos elektromos vezető tulajdonságokkal kell rendelkeznie, mert az egyikben és a másikban nincsenek kémiai szennyeződések (általában sók), kémiai összetétel azonos, és a vízmolekulák szerkezete azonos olvasztott vízben és desztillált vízben.

Valójában minden fordítva néz ki, a szennyeződések hiánya egyáltalán nem jelzi a víz elektromos vezetőképességének tulajdonságait. Ezt észre sem véve, egyesek „megölik” az akkumulátorokat még az elektrolittal való feltöltés, a desztillált víz olvasztott vízzel való helyettesítése vagy egyszerűen szénszűrőn keresztül történő tisztítás során is. Általános szabály, hogy az autópiacon vásárolt feltöltött akkumulátor kevesebb ideig bírja, mint a szárazon töltve és hígítva. kénsav desztillált vizet, saját maga töltötte meg. Már csak azért is, mert a „kész” elektrolit, vagy a feltöltött akkumulátor manapság pénzkereseti eszköz, és ahhoz, hogy megállapítsák, milyen vizet használtak, drága vizsgálatot kell végezni, senki nem zavarja. ez. A kereskedőnek nem mindegy, hogy mennyi ideig bírja az autó akkumulátora, és nem is nagyon szeretne savval vacakolni. De biztosíthatom Önöket, hogy az akkumulátor, amelyen izzad, sokkal vidámabb lesz nulla alatti hőmérsékleten, mint egy kész palackelektrolittal töltött akkumulátor.

Folytassuk!

A vízben a klaszterek időnként elpusztulnak és újra kialakulnak. Az ugrási idő 10-12 másodperc.

Mivel a vízmolekula szerkezete aszimmetrikus, pozitív és negatív töltésének súlypontja nem esik egybe. A molekuláknak két pólusa van - pozitív és negatív, amelyek, mint egy mágnes, molekuláris erőtereket hoznak létre. Az ilyen molekulákat polárisnak vagy dipólusnak nevezzük, és a polaritás mennyiségi jellemzőjét a dipólus elektromos momentuma határozza meg, amelyet a távolság szorzataként fejezünk ki. l a molekula pozitív és negatív töltésének elektromos súlypontja között töltésenként e abszolút elektrosztatikus egységekben: p = l e

Víz esetében a dipólusmomentum nagyon nagy: p = 6,13·10 -29 C·m.

A fázishatárokon (folyadék-levegő) lévő vízklaszterek egy bizonyos sorrendben sorakoznak, míg az összes klaszter azonos frekvenciával rezeg, és egy közös frekvenciát vesz fel. A klaszterek ilyen mozgásánál, figyelembe véve, hogy a klaszterbe tartozó vízmolekulák polárisak, azaz nagy dipólusmomentummal rendelkeznek, elektromágneses sugárzás megjelenésével kell számolni. Ez a sugárzás különbözik a szabad dipólusok sugárzásától, mivel a dipólusok össze vannak kötve és klaszterszerkezetben oszcillálnak.

A vízhalmazok rezgési frekvenciája és ennek megfelelően az elektromágneses oszcillációk frekvenciája a következő képlettel határozható meg:

ahol a a víz felületi feszültsége adott hőmérsékleten; M
a klaszter tömege.

Ahol V a klaszter mérete.

A klaszter térfogatát a klaszter fraktál zárt szerkezetének méreteinek figyelembevételével vagy egy fehérjedomén méreteivel analóg módon határozzuk meg.
Szobahőmérsékleten 18°C, a klaszter rezgési frekvenciája f egyenlő 6,79 10 9 Hz, vagyis a szabad térben lévő hullámhossznak λ = 14,18 mm.

De mi történik, ha a víz külső elektromágneses sugárzásnak lesz kitéve? Mivel a víz egy önszerveződő szerkezet, és csoportosított elemeket és szabad molekulákat is tartalmaz, a következők fordulnak elő, ha külső elektromágneses sugárzásnak van kitéve. Amikor a vízmolekulák közelednek egymáshoz (a távolság R 0 -ról R 1 -re változik), a kölcsönhatási energia nagyobb mértékben változik, mint amikor távolodnak egymástól (R 0 -ról R 2 -re változik a távolság).

De, mivel a vízmolekulák nagy dipólusmomentummal rendelkeznek, külső elektromágneses tér esetén oszcillálni fognak (például R 1 -ről R 2 -re). Ebben az esetben az adott függőség miatt az alkalmazott elektromágneses tér nagyobb mértékben járul hozzá a molekulák vonzásához és ezáltal a rendszer egészének szerveződéséhez, pl. hatszögletű szerkezet kialakulása.

Szennyeződések jelenlétében vízi környezet, hidráthéjjal vannak bevonva oly módon, hogy a rendszer összenergiája egy minimális értéket igyekszik felvenni. Ha pedig a hatszögletű szerkezet teljes dipólusmomentuma egyenlő nullával, akkor szennyeződések jelenlétében a közelükben lévő hatszögletű szerkezet megsérül oly módon, hogy a rendszer minimális értéket vesz fel, bizonyos esetekben a hatszögek átalakulnak ötszögűek, a hidratáló héj pedig golyóhoz közeli alakú. A szennyeződések (például Na + ionok) stabilizálhatják a szerkezetet, így ellenállóbbá teszik a pusztítással szemben.

Az elektromágneses sugárzás hatására önszerveződő vízrendszer nem egészében fog elmozdulni, hanem a hatszögletű minden egyes eleme, illetve lokálisan és más típusú szennyeződések esetén szerkezet eltolódik, pl. a szerkezet geometriájának torzulása lesz, pl. feszültségek keletkeznek. A víznek ez a tulajdonsága nagyon hasonló a polimerekhez. De a polimer szerkezetek igen nagy idők relaxáció, ami nem 10 -11 -10 -12 s, hanem perc vagy több. Ezért az elektromágneses sugárzáskvantumok energiája, amelyek annak torzulásai következtében egy szervezett vízszerkezet belső energiájába kerülnek, addig halmozódik fel, amíg el nem éri a hidrogénkötés energiáját, amely 500-1000-szer nagyobb, mint az elektromágneses energia. terület. Amikor ezt az értéket elérjük, a hidrogénkötés megszakad, és a szerkezet tönkremegy.

Ezt össze lehet hasonlítani hólavina amikor a tömeg fokozatos, lassú felhalmozódása, majd gyors összeomlása következik be. A víz esetében nemcsak a klaszterek közötti gyenge kötés szakad meg, hanem az erősebb kötések is – a vízmolekulák szerkezetében. Ennek a résnek a hatására H +, OH -, és egy hidratált e - elektron képződhet. A tiszta víz kék színe ezen elektronok jelenlétének köszönhető, és nem csak a természetes fény szóródásának köszönhető.

Következtetés

Így a vízzel történő elektromágneses sugárzás hatására a klaszter szerkezetében egy bizonyos kritikus értékig energia halmozódik fel, majd a klaszterek és a többi klaszter között is felbomlanak a kötések, lavinaszerű energiafelszabadulás következik be, ami aztán átalakul típusok.