Structura moleculelor de apă, legăturile și proprietățile lor. Influența influențelor fizice externe asupra moleculelor de apă? Apa: compoziția sa, structura moleculară, proprietățile fizice

Ph.D. O.V. Mosin

Molecula de apă este un mic dipol care conține sarcini pozitive și negative la poli. Deoarece masa și sarcina nucleului de oxigen este mai mare decât cea a nucleelor ​​de hidrogen, norul de electroni se contractă spre nucleul de oxigen. În acest caz, nucleele de hidrogen sunt „goale”. Astfel, norul de electroni are o densitate neuniformă. În apropierea nucleelor ​​de hidrogen există o lipsă de densitate electronică, iar pe partea opusă a moleculei, lângă nucleul de oxigen, există un exces de densitate electronică. Această structură determină polaritatea moleculei de apă. Dacă conectați epicentrii sarcinilor pozitive și negative cu linii drepte, obțineți un volum figură geometrică este un tetraedru regulat.

Structura moleculei de apă (figura din dreapta)

Datorită prezenței legăturilor de hidrogen, fiecare moleculă de apă formează o legătură de hidrogen cu 4 molecule învecinate, formând un cadru de plasă ajurat într-o moleculă de gheață. Cu toate acestea, în stare lichidă, apa este un lichid dezordonat; aceste legături de hidrogen sunt spontane, de scurtă durată, se rup rapid și se formează din nou. Toate acestea duc la eterogenitate în structura apei.

Legături de hidrogen între moleculele de apă (imaginea de mai jos din stânga)

Faptul că apa este eterogenă în compoziția sa a fost stabilit cu mult timp în urmă. Se știe de mult timp că gheața plutește pe suprafața apei, adică densitatea gheții cristaline este mai mică decât densitatea unui lichid.

În aproape toate celelalte substanțe, cristalul este mai dens decât faza lichidă. În plus, chiar și după topire, pe măsură ce temperatura crește, densitatea apei continuă să crească și atinge un maxim la 4°C. Mai puțin cunoscută este anomalia în compresibilitatea apei: când este încălzită de la punctul de topire până la 40°C, aceasta scade și apoi crește. Capacitatea termică a apei depinde, de asemenea, nemonoton de temperatură.

În plus, la temperaturi sub 30°C, cu o creștere a presiunii de la atmosferă la 0,2 GPa, vâscozitatea apei scade, iar coeficientul de autodifuzie - un parametru care determină viteza de mișcare a moleculelor de apă unele față de altele - crește.

Pentru alte lichide, dependența este inversă și aproape niciodată nu se întâmplă ca un parametru important să se comporte nemonoton, de exemplu. mai întâi a crescut, iar după trecere valoarea critică a temperaturii sau a presiunii a scăzut. A existat o presupunere că, de fapt, apa nu este un singur lichid, ci un amestec de două componente care diferă în proprietăți, cum ar fi densitatea și vâscozitatea și, în consecință, în structură. Asemenea idei au început să apară la sfârșitul secolului al XIX-lea, când se acumulaseră o mulțime de date despre anomaliile apei.

Ideea că apa constă din două componente a fost propusă pentru prima dată de Whiting în 1884. Autoarea sa este citată de E.F. Fritsman în monografia „Natura apei. Apă grea”, publicată în 1935. În 1891, W. Rengten a introdus conceptul a două stări ale apei, care diferă ca densitate. După aceasta, au apărut multe lucrări în care apa era considerată un amestec de asociați de compoziție diferită („hidroli”).

Când structura gheții a fost determinată în anii 1920, s-a dovedit că moleculele de apă în stare cristalină formează o rețea continuă tridimensională, în care fiecare moleculă are patru vecini cei mai apropiați, localizați la vârfurile unui tetraedru obișnuit. În 1933, J. Bernal și P. Fowler au sugerat că o rețea similară există și în apa lichidă. Deoarece apa este mai densă decât gheața, ei credeau că moleculele din ea nu sunt aranjate în același mod ca în gheață, adică ca atomii de siliciu din mineralul tridimit, ci ca atomii de siliciu dintr-o modificare mai densă a siliciului - cuarț. Creșterea densității apei la încălzire de la 0 la 4°C a fost explicată prin prezența unei componente tridimite la temperaturi scăzute. Astfel, modelul Bernal-Fowler a păstrat elementul de două structuri, dar principala lor realizare este ideea unei rețele tetraedrice continue. Apoi a apărut celebrul aforism al lui I. Langmuir: „Oceanul este o moleculă mare”. Concretizarea excesivă a modelului nu a adăugat susținători ai teoriei grilei unificate.

Abia în 1951 J. Popl a creat un model de grilă continuă, care nu era atât de specific ca modelul Bernal-Fowler. Popl și-a imaginat apa ca pe o rețea tetraedrică aleatorie, legăturile dintre moleculele în care sunt curbate și au lungimi diferite. Modelul lui Popl explică densificarea apei în timpul topirii prin îndoirea legăturilor. Când au apărut primele definiții ale structurii gheții II și IX în anii 1960 și 1970, a devenit clar cum îndoirea legăturilor poate duce la compactarea structurii. Modelul lui Pople nu a putut explica nemonotonitatea dependenței proprietăților apei de temperatură și presiune, precum și modelele cu două stări. Prin urmare, ideea a două state a fost împărtășită de mulți oameni de știință pentru o lungă perioadă de timp.

Dar în a doua jumătate a secolului al XX-lea era imposibil să fantezi cu privire la compoziția și structura „hidrolilor” la fel de mult ca la începutul secolului. Se știa deja cum sunt aranjate gheața și hidrații cristalini și știau multe despre legăturile de hidrogen. Pe lângă modelele „continuum” (modelul Pople), au apărut două grupe de modele „mixte”: cluster și clatrat. În primul grup, apa a apărut ca grupuri de molecule legate prin legături de hidrogen, care pluteau într-o mare de molecule care nu participă la astfel de legături. Modelele din a doua grupă au considerat apa ca o rețea continuă (denumită de obicei cadru în acest context) de legături de hidrogen care conține goluri; ele conțin molecule care nu formează legături cu moleculele cadrului. Nu a fost dificil să alegeți astfel de proprietăți și concentrații a două microfaze ale modelelor de cluster sau proprietățile cadrului și gradul de umplere a golurilor sale în modelele de clatrat pentru a explica toate proprietățile apei, inclusiv celebrele anomalii.

Dintre modelele de cluster, cel mai izbitor a fost modelul lui G. Nemethy și H. Sheragi: imaginile lor, ilustrând grupuri de molecule legate plutind într-o mare de molecule nelegate, au fost incluse în multe monografii.

Primul model de tip clatrat a fost propus în 1946 de O.Ya. Samoilov: o rețea de legături de hidrogen similară cu gheața hexagonală este păstrată în apă, ale cărei cavități sunt parțial umplute cu molecule monomerice. L. Pauling în 1959 a creat o altă versiune, sugerând că rețeaua de legături inerente unor hidrați cristalini poate servi drept bază pentru structura.

În a doua jumătate a anilor 1960 și începutul anilor 1970 a fost observată o convergență a tuturor acestor opinii. Au apărut variante de modele de cluster, în care moleculele din ambele microfaze sunt conectate prin legături de hidrogen. Susținătorii modelelor de clatrat au început să permită formarea de legături de hidrogen între moleculele goale și cadru. Adică, de fapt, autorii acestor modele consideră apa ca o rețea continuă de legături de hidrogen. Și vorbim despre cât de neomogenă este această grilă (de exemplu, ca densitate). Ideea apei ca clustere legate de hidrogen care plutesc într-o mare de molecule de apă lipsite de legături a fost pusă capăt la începutul anilor optzeci, când G. Stanley a aplicat teoria percolației la modelul apei, care descrie faza. tranziții ale apei.

În 1999, celebrul cercetător rus al apei S.V. Zenin și-a susținut teza de doctorat la Institutul de Probleme Biomedicale al Academiei Ruse de Științe privind teoria clusterelor, ceea ce a reprezentat un pas semnificativ în promovarea acestui domeniu de cercetare, a cărui complexitate este sporită de faptul că se află la intersecția a trei științe: fizică, chimie și biologie. Pe baza datelor obținute prin trei metode fizico-chimice: refractometrie (S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, 1994), cromatografia lichidă de înaltă performanță (S.V. Zenin și colab., 1998) și rezonanța magnetică a protonilor (C .V. Zenin, 1993) construită și a demonstrat un model geometric al principalelor formațiuni structurale stabile a moleculelor de apă (apa structurată), iar apoi (S.V. Zenin, 2004) s-a obținut o imagine folosind un microscop cu contrast de fază a acestor structuri.

S-a dovedit acum de știință că particularitățile proprietăților fizice ale apei și numeroasele legături de hidrogen de scurtă durată între atomii de hidrogen și oxigen vecini dintr-o moleculă de apă creează oportunități favorabile pentru formarea de structuri asociate speciale (clustere) care percep, stochează. și transmite o mare varietate de informații.

Unitatea structurală a unei astfel de ape este un grup format din clatrați, a cărui natură este determinată de forțele Coulomb cu rază lungă. Structura clusterelor codifică informații despre interacțiunile care au avut loc cu aceste molecule de apă. În clusterele de apă, datorită interacțiunii dintre legăturile covalente și de hidrogen dintre atomii de oxigen și atomii de hidrogen, migrarea protonilor (Н+) poate avea loc conform mecanismului de releu, ducând la delocalizarea protonilor în cadrul clusterului.

Apa, constând din multe grupuri de diferite tipuri, formează o structură spațială ierarhică de cristale lichide care poate percepe și stoca cantități uriașe de informații.

Figura (V.L. Voeikov) prezintă diagrame ale mai multor structuri simple de cluster ca exemplu.

Câteva structuri posibile ale clusterelor de apă

Purtătorii de informații pot fi câmpuri fizice de natură variată. Astfel, a fost stabilită posibilitatea interacțiunii informaționale de la distanță a structurii de cristale lichide a apei cu obiecte de natură variată folosind câmpuri electromagnetice, acustice și alte câmpuri. O persoană poate fi și un obiect de influență.

Apa este o sursă de radiație electromagnetică alternativă ultra-slăbită și slabă. Radiația electromagnetică cea mai puțin haotică este creată de apa structurată. În acest caz, poate avea loc inducerea câmpului electromagnetic corespunzător, care modifică caracteristicile structurale și informaționale ale obiectelor biologice.

Pe parcursul anii recenti s-au obţinut date importante despre proprietăţile apei suprarăcite. Este foarte interesant să studiezi apa la temperatură scăzută, deoarece poate fi mai suprarăcită decât alte lichide. Cristalizarea apei, de regulă, începe pe unele neomogenități - fie pe pereții vasului, fie pe particulele plutitoare de impurități solide. Prin urmare, nu este ușor de găsit temperatura la care apa suprarăcită s-ar cristaliza spontan. Dar oamenii de știință au reușit să facă acest lucru, iar acum temperatura așa-numitei nucleări omogene, când formarea cristalelor de gheață are loc simultan pe tot volumul, este cunoscută pentru presiuni de până la 0,3 GPa, adică captarea regiunilor de existență a gheții. II.

De la presiunea atmosferică până la limita care separă gheața I și II, această temperatură scade de la 231 la 180 K și apoi crește ușor la 190 K. Sub această temperatură critică, apa lichidă este imposibilă în principiu.

Structura gheții (imaginea din dreapta)

Cu toate acestea, există un mister asociat cu această temperatură. Deschis la mijlocul anilor optzeci noua modificare gheață amorfă - gheață de înaltă densitate, iar acest lucru a ajutat la reînviarea ideii de apă ca un amestec de două stări. Ca prototipuri, nu au fost luate în considerare structurile cristaline, ci structurile de gheață amorfa de diferite densități. În forma cea mai inteligibilă, acest concept a fost formulat de E.G. Poniatovsky și V.V. Sinitsin, care a scris în 1999: „Apa este considerată o soluție obișnuită a două componente, configurațiile locale în care corespund ordinului scurt al modificărilor gheții amorfe”. Mai mult, studiind ordinea pe distanță scurtă în apa suprarăcită la presiune ridicată folosind metode de difracție cu neutroni, oamenii de știință au reușit să găsească componente corespunzătoare acestor structuri.

Ca o consecință a polimorfismului gheții amorfe, au existat și ipoteze despre separarea apei în două componente nemiscibile la o temperatură sub ipoteticul punct critic de temperatură scăzută. Din păcate, potrivit cercetătorilor, această temperatură la o presiune de 0,017 GPa este de 230 K, ceea ce este sub temperatura de nucleare, astfel încât nimeni nu a putut observa încă separarea apei lichide. Astfel, renașterea modelului cu două stări a ridicat problema neomogenității rețelei de legături de hidrogen din apa lichidă. Această eterogenitate poate fi înțeleasă doar cu ajutorul simulărilor pe calculator.

Vorbind despre structura cristalină a apei, trebuie remarcat faptul că 14 modificări de gheață, dintre care majoritatea nu se găsesc în natură, în care moleculele de apă își păstrează ambele individualitate și sunt conectate prin legături de hidrogen. Pe de altă parte, există multe variante ale rețelei de legături de hidrogen în hidrați de clatrați. Energiile acestor rețele (gheață presiune ridicatași hidrați de clatrat) este puțin mai mare decât energiile gheții cubice și hexagonale. Prin urmare, fragmente din astfel de structuri pot apărea și în apa lichidă. Este posibil să se proiecteze nenumărate fragmente neperiodice diferite, moleculele în care au patru vecini cei mai apropiați situate aproximativ de-a lungul vârfurilor tetraedrului, dar structura lor nu corespunde structurilor modificărilor cunoscute ale gheții. Numeroase calcule au arătat că energiile de interacțiune ale moleculelor din astfel de fragmente vor fi apropiate unele de altele și nu există niciun motiv să spunem că o anumită structură ar trebui să predomine în apa lichidă.

Studiile structurale ale apei pot fi studiate prin diverse metode; spectroscopie de rezonanță magnetică de protoni, spectroscopie în infraroșu, difracție de raze X etc. De exemplu, difracția razelor X și a neutronilor în apă a fost studiată de multe ori. Cu toate acestea, aceste experimente nu pot oferi informații detaliate despre structură. Neomogenitățile care diferă ca densitate ar putea fi observate din razele X cu unghi mic și împrăștierea neutronilor, dar astfel de neomogenități trebuie să fie mari, constând din sute de molecule de apă. Ar fi posibil să le vedem și să investighem împrăștierea luminii. Cu toate acestea, apa este un lichid excepțional de limpede. Singurul rezultat al experimentelor de difracție este funcțiile de distribuție radială, adică distanțele dintre atomii de oxigen, hidrogen și oxigen-hidrogen. Din ele se poate observa că nu există o ordine pe distanță lungă în aranjarea moleculelor de apă. Aceste funcții se degradează mult mai repede pentru apă decât pentru majoritatea celorlalte lichide. De exemplu, distribuția distanțelor dintre atomii de oxigen la o temperatură apropiată de temperatura camerei dă doar trei maxime, la 2,8, 4,5 și 6,7 Å. Primul maxim corespunde distanței până la cei mai apropiați vecini, iar valoarea lui este aproximativ egală cu lungimea legăturii de hidrogen. Al doilea maxim este aproape de lungimea medie a marginii tetraedrului - rețineți că moleculele de apă din gheața hexagonală sunt situate la vârfurile tetraedrului circumscrise în jurul moleculei centrale. Iar al treilea maxim, exprimat foarte slab, corespunde distanței până la al treilea și mai îndepărtați vecini din rețeaua de hidrogen. Acest maxim în sine nu este foarte luminos și nu este nevoie să vorbim despre alte vârfuri. Au existat încercări de a obține informații mai detaliate din aceste distribuții. Așa că în 1969 I.S. Andrianov și I.Z. Fisher a găsit distanțele până la al optulea vecin, în timp ce s-au dovedit a fi 3 Å pentru al cincilea vecin și 3,1 Å pentru al șaselea vecin. Acest lucru permite obținerea de date despre mediul îndepărtat al moleculelor de apă.

O altă metodă de studiere a structurii - difracția cu neutroni pe cristale de apă se realizează exact în același mod ca și difracția cu raze X. Cu toate acestea, datorită faptului că lungimile de împrăștiere a neutronilor nu diferă atât de mult pentru diferiți atomi, metoda de substituție izomorfă devine inacceptabilă. În practică, se lucrează de obicei cu un cristal a cărui structură moleculară a fost deja aproximativ stabilită prin alte metode. Intensitățile de difracție a neutronilor sunt apoi măsurate pentru acest cristal. Pe baza acestor rezultate se realizează o transformată Fourier, în timpul căreia se folosesc intensitățile și fazele neutronilor măsurate, calculate ținând cont de atomii non-hidrogen, adică. atomi de oxigen a căror poziţie în modelul de structură este cunoscută. Apoi, pe harta Fourier astfel obținută, atomii de hidrogen și deuteriu sunt reprezentați cu mult greutăți mari decât pe harta densității electronice, deoarece contribuția acestor atomi la împrăștierea neutronilor este foarte mare. Din această hartă a densității se pot determina, de exemplu, pozițiile atomilor de hidrogen (densitate negativă) și a atomilor de deuteriu (densitate pozitivă).

Este posibilă o variație a acestei metode, care constă în faptul că cristalul format în apă este păstrat în apă grea înainte de măsurători. În acest caz, difracția cu neutroni nu numai că face posibilă determinarea locului în care se află atomii de hidrogen, dar îi dezvăluie și pe cei dintre ei care pot fi schimbati cu deuteriu, ceea ce este deosebit de important în studiul schimbului de izotopi (H-D). Astfel de informații ajută la confirmarea corectitudinii stabilirii structurii.

Alte metode fac, de asemenea, posibilă studierea dinamicii moleculelor de apă. Acestea sunt experimente privind împrăștierea neutronilor cvasi-elastici, spectroscopie IR ultrarapidă și studiul difuziei apei folosind RMN sau atomi de deuteriu marcați. Metoda spectroscopiei RMN se bazează pe faptul că nucleul unui atom de hidrogen are un moment magnetic - un spin care interacționează cu câmpuri magnetice, constante și variabile. Din spectrul RMN, se poate judeca mediul în care se află acești atomi și nuclee, obținând astfel informații despre structura moleculei.

Ca urmare a experimentelor privind împrăștierea cvasi-elastică a neutronilor în cristalele de apă, cel mai important parametru, coeficientul de autodifuzie, a fost măsurat la diferite presiuni și temperaturi. Pentru a judeca coeficientul de autodifuzie din împrăștierea cvasi-elastică a neutronilor, este necesar să se facă o presupunere despre natura mișcării moleculare. Dacă se mișcă în conformitate cu Ya.I. Frenkel (un cunoscut fizician teoretic intern, autor al „Teoriei cinetice a lichidelor” - carte clasică, tradus în multe limbi), numit și modelul „hop-wait”, apoi timpul de viață „stabilit” (timpul dintre salturi) al moleculei este de 3,2 picoseconde. Cele mai recente metode de spectroscopie laser femtosecundă au făcut posibilă estimarea duratei de viață a unei legături de hidrogen rupte: este nevoie de 200 fs pentru ca un proton să găsească un partener. Cu toate acestea, toate acestea sunt medii. Studierea detaliilor structurii și naturii mișcării moleculelor de apă este posibilă numai cu ajutorul simulării pe computer, uneori numită experiment numeric.

Așa arată structura apei conform rezultatelor simulării pe computer (conform datelor doctorului în științe chimice G. G. Malenkov). Structura generală dezordonată poate fi împărțită în două tipuri de regiuni (prezentate prin bile întunecate și luminoase), care diferă în structura lor, de exemplu, în volumul poliedrului Voronoi (a), gradul de tetraedralitate al celui mai apropiat mediu ( b), valoarea energiei potențiale (c), precum și în prezența a patru legături de hidrogen în fiecare moleculă (d). Cu toate acestea, aceste zone literalmente într-un moment, după câteva picosecunde, își vor schimba locația.

Simularea se face astfel. Structura gheții este luată și încălzită până se topește. Apoi, după ceva timp pentru ca apa să „uite” de originea cristalină, se fac micrografii instantanee.

Pentru a analiza structura apei, sunt selectați trei parametri:
- gradul de abatere a mediului local al moleculei de la vârfurile tetraedrului regulat;
-energia potenţială a moleculelor;
este volumul așa-numitului poliedru Voronoi.

Pentru a construi acest poliedru, se ia o muchie de la molecula dată la cea mai apropiată, o împarte în jumătate și se trasează un plan perpendicular pe margine prin acest punct. Acesta este volumul pe moleculă. Volumul unui poliedru este densitatea, tetraedritatea este gradul de distorsiune al legăturilor de hidrogen, energia este gradul de stabilitate a configurației moleculelor. Moleculele cu valori apropiate ale fiecăruia dintre acești parametri tind să se grupeze în grupuri separate. Regiunile de densitate scăzută și mare au valori diferite energie, dar poate avea aceleași valori. Experimentele au arătat că regiunile cu structuri diferite, clustere, apar spontan și se degradează spontan. Întreaga structură a apei trăiește și se schimbă constant, iar timpul în care apar aceste schimbări este foarte mic. Cercetătorii au urmărit mișcările moleculelor și au descoperit că acestea fac oscilații neregulate cu o frecvență de aproximativ 0,5 ps și o amplitudine de 1 angstrom. Au fost observate și rare salturi lente în angstrom, care durează picosecunde. În general, în 30 ps o moleculă se poate mișca cu 8-10 angstromi. Durata de viață a mediului local este, de asemenea, mică. Regiunile compuse din molecule cu valori apropiate ale volumului poliedrului Voronoi se pot descompune în 0,5 ps și pot trăi câteva picosecunde. Dar distribuția duratelor de viață a legăturilor de hidrogen este foarte mare. Dar de această dată nu depășește 40 ps, ​​​​iar valoarea medie este de câțiva ps.

În concluzie, trebuie subliniat că Teoria structurii cluster a apei are multe capcane. De exemplu, Zenin sugerează că principalul element structural al apei este un grup de 57 de molecule format prin fuziunea a patru dodecaedre. Au fețe comune, iar centrele lor formează un tetraedru regulat. Faptul că moleculele de apă pot fi localizate la vârfurile unui dodecaedru pentagonal este cunoscut de mult timp; un astfel de dodecaedru stă la baza hidraților de gaz. Prin urmare, nu este nimic surprinzător în presupunerea că astfel de structuri există în apă, deși s-a spus deja că nicio structură anume nu poate fi dominantă și există pentru o lungă perioadă de timp. Prin urmare, este ciudat că se presupune că acest element este principalul și că în el intră exact 57 de molecule. Din bile, de exemplu, este posibil să se asambleze aceleași structuri care constau din dodecaedre adiacente unul altuia și care conțin 200 de molecule. Zenin, pe de altă parte, susține că procesul de polimerizare tridimensională a apei se oprește la 57 de molecule. Asociații mai mari, în opinia sa, nu ar trebui să fie. Cu toate acestea, dacă acesta ar fi cazul, cristalele hexagonale de gheață, care conțin un număr mare de molecule legate între ele prin legături de hidrogen, nu ar putea precipita din vaporii de apă. Este complet neclar de ce creșterea clusterului Zenin sa oprit la 57 de molecule. Pentru a evita contradicțiile, Zenin împachetează și clustere în formațiuni mai complexe - romboedre - de aproape o mie de molecule, iar clusterele inițiale nu formează legături de hidrogen între ele. De ce? Cum diferă moleculele de pe suprafața lor de cele din interior? Potrivit lui Zenin, modelul grupărilor hidroxil de pe suprafața romboedrelor oferă memoria apei. În consecință, moleculele de apă din aceste complexe mari sunt fixate rigid, iar complexele în sine sunt solide. O astfel de apă nu va curge, iar punctul ei de topire, care este legat de greutatea moleculară, trebuie să fie destul de ridicat.

Ce proprietăți ale apei explică modelul Zenin? Deoarece modelul se bazează pe structuri tetraedrice, poate fi mai mult sau mai puțin în concordanță cu datele de difracție de raze X și neutroni. Cu toate acestea, este puțin probabil ca modelul să explice scăderea densității în timpul topirii - împachetarea dodecaedrelor este mai puțin densă decât gheața. Dar cel mai greu este să fiți de acord cu un model cu proprietăți dinamice - fluiditate, o valoare mare a coeficientului de autodifuzie, corelație scurtă și timpi de relaxare dielectrică, care se măsoară în picosecunde.

Ph.D. O.V. Mosin

Referinte:
G.G. Malenkov. Progrese în chimia fizică, 2001
S.V. Zenin, B.M. Polanuer, B.V. Tyaglov. Dovada experimentală a prezenței fracțiilor de apă. G. Medicina homeopata si acupunctura. 1997. Nr 2. P. 42-46.
S.V. Zenin, B.V. Tyaglov. Model hidrofob al structurii asociaților moleculelor de apă. Zh.Fiz.chimie.1994.T.68.Nr.4.S.636-641.
S.V. Zenin Investigarea structurii apei prin metoda rezonanței magnetice a protonilor. Dokl.RAN.1993.T.332.Nr.3.S.328-329.
S.V.Zenin, B.V.Tyaglov. Natura interacțiunii hidrofobe. Apariția câmpurilor de orientare în soluții apoase. J.Fiz.chimie.1994.T.68.Nr.3.S.500-503.
S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, G.B. Sergeev, Z.A. Şabarova. Studiul interacțiunilor intramoleculare în amidele nucleotidice prin RMN. Materialele celei de-a 2-a Conf. Prin dinamică Stereochimie. Odesa.1975.p.53.
S.V. Zenin. Starea structurată a apei ca bază pentru gestionarea comportamentului și siguranței sistemelor vii. teză. Doctor în științe biologice. Centrul Științific de Stat „Institutul de Probleme Biomedicale” (SSC „IMBP”). Apărat 1999. 05. 27. UDC 577.32:57.089.001.66.207 str.
IN SI. Slesarev. Raport privind progresul cercetării

Apă - materie anorganică, ale cărui molecule constau din doi atomi de hidrogen și un atom de oxigen. Cantitatea de apă nu este aceeași în diferite organisme. Cea mai mare parte a apei contine corpul de meduze (95-98%), alge (mai mult de 80%), cea mai mica dintre ele in insecte (40-50%), talus de lichen (5-7%). În corpul mamiferelor, în medie, 75% din apă, inclusiv la om - 60-65% din greutatea corporală. Cantitatea de apă nu este aceeași în diferite țesuturi și organe ale aceluiași organism. De exemplu, la om, conținutul de apă în țesuturi și organe este următorul: sânge (83,0%), rinichi (82,7%), inimă (79,2%), plămâni (79,0%), mușchi (75,6%), creier ( 74,8%), piele (72,0%), schelet (22,0%), țesut adipos (10,0%).

Cea mai mare parte a apei (70% din volum) se află în celulele corpului într-o formă liberă și legată, o parte mai mică (30% din volum) se mișcă în spațiul extracelular al corpului și se află în stare liberă. apa legata(4 5%) poate fi legat osmotic (apa în legături cu ioni și compuși cu greutate moleculară mică), legat coloidal (apa în legături cu grupuri chimice interne și de suprafață ale compușilor cu greutate moleculară mare) și legat structural (apa într-un spațiu închis). de biopolimeri cu greutate moleculară mare cu structură complexă). apa gratis(95-96%) este un solvent universal.

Valoarea apei . Cantitativ, apa ocupă primul loc printre compușii chimici ai oricărei celule. Prezența apei este o condiție prealabilă pentru viața organismelor. Ce funcții îndeplinește această substanță cea mai comună de pe Pământ în biosisteme?

Apa este solventul universal pentru compuși ionici și mulți covalenti, asigură fluxul reacțiilor chimice, transportul substanțelor în și în afara celulei.

Apă - reactiv, cu participarea cărora apar reacții de hidroliză și hidratare, reacții redox și acido-bazice în celule.

Apă - regulator de caldura, mentine regimul termic optim al organismelor si asigura distributia uniforma a caldurii in sistemele vii.

Apă - osmoreglator, care oferă forma celulelor, transportul nu este materie organică.

Apă - a sustine, asigură o stare elastică a celulelor (turgul), acționează ca un amortizor de influențe mecanice asupra organismului, îndeplinește funcția de hidroschelet la multe animale.

Apă - mijloace de transport, realizeaza comunicarea in celule, intre celule, tesuturi, organe si asigura homeostazia si functionarea organismului in ansamblu.

Apă - habitat pentru organisme acvaticeÎn ea se realizează mișcarea pasivă, fertilizarea externă, distribuția semințelor, gameților și stadiilor larvare ale organismelor terestre.

Apă - conformator, are o mare importanță în organizarea structurii spațiale (conformației) biopolimerilor.

Proprietățile apei. Rolul apei în biosisteme este determinat de proprietățile sale fizico-chimice.

■ Apa limpede se caracterizează prin transparență, lipsă de gust, culoare, miros. Apa naturală conține întotdeauna diverse impurități: substanțe dizolvate sub formă de ioni, substanțe nedizolvate sub formă de suspensie. Apa este singura substanță de pe Pământ care apare simultan și în cantități mari în stare lichidă, solidă și gazoasă.

■ Densitatea apei la 4°C este maxima si este de 1g/cm3. Pe măsură ce temperatura scade, densitatea scade, astfel încât gheața plutește la suprafața apei.

■ Apa are căldură specifică anormal de mare (4,17 J / GC), căldură de vaporizare (la 100 ° C - 2253 J / g), căldură de topire (la 0 ° C - 333,98 J / g).

■ Apa are o tensiune superficială excepţional de mare datorită forte puternice adeziunea (coeziunea) asociată cu formarea de legături de hidrogen între molecule.

■ Pentru apă proprietate caracteristică lipirea (aderența), care se manifestă în cazul ridicării acestuia împotriva forțelor gravitaționale.

■ Apa în stare lichidă se caracterizează prin fluiditate, nestrângere, ceea ce determină fenomenele osmozăși turgență.

■ Apa are proprietăți amfotere, adică prezintă proprietăți atât ale unui acid, cât și ale unei baze și participă la reacțiile acido-bazice.

■ Apa este capabilă să acționeze atât ca agent reducător, cât și ca agent oxidant, realizând reacții redox importante din punct de vedere biologic ale metabolismului.

■ Moleculele de apă sunt polare, datorită cărora participă la reacții de hidratare, asigurând dizolvarea multor compuși chimici.

■ Apa este implicată în reacţii de descompunere – reacţii importante din punct de vedere biologic hidroliză.

■ Moleculele de apă sunt capabile să se disocieze în ioni: H2O = H + + OH.

Caracteristicile structurii moleculelor de apă. Proprietăți unice apa este determinată de structura moleculelor sale.

Într-o moleculă de apă, fiecare atom de hidrogen este situat pe un atom de oxigen. legătură covalentă, a cărui energie este de aproape 110 kcal/mol. Din acest motiv, apa este un compus chimic foarte stabil. Vaporii de apă încep să se descompună în O și H la temperaturi peste 1000°C.

Într-o moleculă de apă, două perechi de electroni din patru sunt formate printr-o legătură covalentă și sunt deplasate pe una dintre laturile moleculei cu formarea a doi poli încărcați pozitiv. Și celelalte două perechi rămân neîmpărțite și sunt deplasate față de nucleul atomului de oxigen pe partea opusă, unde formează doi poli încărcați negativ.

Deci moleculele de apă sunt polare.

Datorită polarității, moleculele de apă învecinate pot interacționa între ele și cu molecule de substanțe polare pentru a forma legături de hidrogen, provocând unic proprietăți fiziceși funcțiile biologice ale apei. Energia acestei legături, în comparație cu energia unei legături covalente, este mică. Este de numai 4,5 kcal/mol, iar datorită mișcării termice, aceste legături dintre moleculele de apă sunt create și rupte în mod constant. Legături de hidrogen - acestea sunt legături între doi atomi legați covalent cu o valoare mare a electronegativității (O, N, F) prin atomul de hidrogen H. De obicei, o legătură de hidrogen este notă cu trei puncte și aceasta marchează , că este mult mai slab ; decât o legătură covalentă (de aproximativ 15-20 de ori).

Legăturile de hidrogen joacă un rol decisiv în formarea unei structuri cvasi-cristaline specifice a apei. Conform conceptelor moderne, baza structurii apei este celulă de cristal cu o parte de molecule de apă libere mânjite de mișcarea termică. Apa în stare solidă este caracterizată de rețele de cristal moleculare, deoarece cristalele sunt construite din molecule legate între ele prin legături de hidrogen. Prezența elementelor rețelei cristaline, precum și natura dipolului moleculelor de apă este cea care determină valoarea foarte mare a permisivității relative a apei.

Moleculele de apă lichidă sunt capabile de polimerizare sau asociere cu formarea de asociați (Н2О) n. Formarea asociatilor densi are loc la +4 C, ceea ce explica densitatea mare a apei la aceasta temperatura. Când sunt încălzite, legăturile de hidrogen sunt distruse și asociații încep să se despartă, deoarece energia mișcării termice devine mai mare din energia acestor legături. Ruperea legăturilor necesită multă energie, de unde punctul de fierbere ridicat și capacitatea termică specifică a apei. Acest lucru este esențial pentru organisme în timpul fluctuațiilor temperaturii mediului.

Analiza de difracție cu raze X a apei a stabilit că fragmentele structurii de gheață rămân în apa lichidă. La o temperatură de 20°C, aproximativ 70% din molecule sunt în apă sub formă de agregate care conțin în medie 57 de molecule fiecare. Se numesc astfel de unități clustere. Moleculele de apă care alcătuiesc clusterul sunt legate și inerte din punct de vedere metabolic. Doar moleculele de apă libere joacă un rol activ în reacțiile metabolice. Dacă există multe grupuri, aceasta duce la imobilizarea apei, adică la excluderea apei libere, la restricția proceselor enzimatice și la o scădere a activității funcționale a celulei.

BIOLOGIE +În timpul disocierii anumitor electroliți, inclusiv a apei, se formează ioni de H + si el - , a cărui concentrație determină aciditatea sau bazicitatea soluțiilor și, în consecință, caracteristicile structurale și activitatea multor biomolecule și procese de viață. Această concentrație se măsoară folosind indicator pH - pH. pH-ul este logaritmul zecimal negativ al concentrației

ionii H + . În apă pură, această concentrație este de 1-10 -7 mol/l (-log 10 -7 = 7 ) . Prin urmare, reacția neutră a apei corespunde cu pH 7, acid-pH<7 и основной -pH>7. Lungimea scalei pH este de la 0 la 14. Valoarea pH-ului în celule este ușor alcalină. Schimbarea lui cu una sau două unități este dăunătoare celulei. Constanța pH-ului în celule este menținută prin sisteme tampon care conțin un amestec de electroliți. Sunt formați din acizi slabi. (donator H +) și baza asociată acesteia (acceptor H +) , care leagă ionii H + și legături OH - , datorită căruia reacția pH-ului din interiorul celulei aproape că nu se modifică.

compuși hidrofili și hidrofobi. În moleculele de apă, două perechi de electroni articulați sunt deplasați către oxigen, deci incarcare electricaîn interiorul moleculelor este distribuit neuniform: protonii H + provoacă o sarcină pozitivă la un pol, iar perechile de electroni de oxigen provoacă o sarcină negativă la polul opus. Aceste sarcini sunt egale ca mărime și situate la o anumită distanță unele de altele. Deci molecula de apă este o constantă dipol, care pot interacționa cu purtători de sarcini pozitive și negative. Prezența polilor în moleculele de apă explică capacitatea apei de a reacții chimice hidratare.

Datorită polarității lor, moleculele de apă se pot atașa de molecule sau ioni de substanțe solubile în apă pentru a forma hidrați (compuși ai apei cu un dizolvat). Aceste reacții sunt exoterme și, spre deosebire de reacțiile de hidroliză, hidratarea nu este însoțită de formarea de ioni de hidrogen sau hidroxid.

Când moleculele de apă interacționează cu moleculele de substanțe polare, atracția moleculelor de apă către o substanță diferită depășește energia de atracție dintre moleculele de apă. Prin urmare, moleculele sau ionii unor astfel de compuși sunt încorporați în sistemul general al legăturilor de hidrogen ale apei. substanțe hidrofile - Acestea sunt substanțe polare care se pot dizolva bine în apă. Acestea sunt săruri cristaline solubile, monozaharide, anumiți aminoacizi, acizi nucleici etc.

În cazul interacțiunii moleculelor de apă cu molecule de substanțe nepolare, energia de atracție a moleculelor de apă din ele va fi mai mică decât energia legăturilor de hidrogen. Moleculele nepolare încearcă să se izoleze de moleculele de apă, se grupează și sunt îndepărtate din soluția apoasă. substanțe hidrofobe - Acestea sunt substanțe nepolare care nu se dizolvă în apă. Acestea sunt săruri minerale insolubile, lipide, polizaharide, anumite proteine ​​etc. Unele molecule organice au proprietăți duble: grupurile polare sunt concentrate în unele zone, grupurile nepolare în altele. Acestea sunt multe proteine, fosfolipide. ei sunt numiti, cunoscuti substanțe amfifile.

Acolo unde este carbon, există o varietate de substanțe organice, acolo unde este carbon, sunt cele mai diverse structuri din punct de vedere al arhitecturii moleculare.

Enciclopedia unui tânăr chimist

Compoziția apei poate fi determinată folosind reacția de descompunere prin curent electric. Se formează două volume de hidrogen pentru un volum de oxigen (volumul de gaz este proporțional cu cantitatea de substanță):

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

Apa este alcătuită din molecule. Fiecare moleculă conține doi atomi de hidrogen legați prin legături covalente de un atom de oxigen. Unghiul dintre legături este de aproximativ 105°:
OH
H

Deoarece oxigenul este un element mai electronegativ (un agent oxidant puternic), perechea de electroni comună a legăturii covalente este deplasată la atomul de oxigen, pe acesta se formează o sarcină negativă parțială δ− și se formează o sarcină parțială pozitivă δ+. atomi de hidrogen. Moleculele învecinate sunt atrase unele de altele de sarcini opuse - acest lucru provoacă o relativă temperatura ridicata apă clocotită.

Apa la temperatura camerei este un lichid transparent incolor. Punct de topire 0°C, punctul de fierbere la presiune atmosferică- 100 ° C. Apa pură nu conduce electricitatea.

O caracteristică interesantă a apei este că are cea mai mare densitate de 1 g / cm 3 la o temperatură de aproximativ 4 ° C. Pe măsură ce temperatura scade și mai mult, densitatea apei scade. Prin urmare, odată cu debutul iernii, straturile superioare de îngheț de apă devin mai ușoare și nu se scufundă. La suprafață se formează gheață. Înghețarea unui rezervor până la fund de obicei nu are loc (în plus, gheața are și o densitate mai putina apași plutește la suprafață).

Proprietăți chimice :

la poluanții majori apa naturala includ apele uzate de la întreprinderile industriale care conțin compuși de mercur, arsen și alte elemente toxice. Efluenții din complexele zootehnice și orașe pot conține deșeuri care provoacă dezvoltarea rapidă a bacteriilor. Un mare pericol pentru corpurile de apă naturale este depozitarea necorespunzătoare (care nu oferă protecție împotriva precipitare) sau utilizarea îngrășămintelor și pesticidelor spălate în corpurile de apă. Transportul, în special apa, poluează corpurile de apă cu produse petroliere și gunoi menajer aruncat de oameni fără scrupule direct în apă.

Pentru a proteja apa, este necesar să se introducă alimentarea cu apă închisă a întreprinderilor industriale, prelucrarea complexă a materiilor prime și a deșeurilor, construcția de instalații de tratare și educația pentru mediu a populației.

* Soluțiile sărate sunt folosite pentru electroliza apei

2. Experiență. Recunoașterea sării acidului carbonic printre cele trei săruri propuse.

O reacție calitativă la carbonați este interacțiunea cu acizii, însoțită de o eliberare rapidă de dioxid de carbon:

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

sau, în formă ionică:

CO 3 2− + 2H + = H 2 O + CO 2

Este posibil să se demonstreze că este monoxidul de carbon (IV) care este eliberat prin trecerea acestuia printr-o soluție de apă de var, ceea ce face ca acesta să devină tulbure:

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

Pentru a recunoaște sarea acidului carbonic, adăugați puțin acid în toate cele trei eprubete (astfel încât să nu se reverse când „fierbe”). Acolo unde va fi eliberat un gaz incolor, inodor, există carbonat.

Apa este cea mai comună și cea mai comună substanță din viața noastră. Corpul uman este format din 70% apă, iar mediul natural din jurul nostru conține și 70% apă.

Din manualele școlareștim că o moleculă de apă este formată dintr-un atom de oxigen și doi atomi de hidrogen, adică. una dintre cele mai mici și mai ușoare molecule. Cu toată rutina și evidenta pentru noi a acelor proprietăți ale apei pe care le folosim constant, există paradoxuri ale apei lichide care determină chiar și formele de viață pe Pământ.

Apa lichidă are o densitate mai mare decât cea a gheții. Prin urmare, la îngheț, volumul de gheață crește, gheața plutește pe suprafața apei.

Densitatea apei este maximă la 4 ° C, și nu la punctul de topire, ea scade atât la dreapta, cât și la stânga acestei temperaturi.

Vâscozitatea apei scade odată cu creșterea presiunii.

Punctul de fierbere al apei este în afara dependenței generale a punctului de fierbere de greutatea moleculară a substanțelor (Fig. 1.1). În caz contrar, nu ar trebui să fie mai mare de 60 o C.

Capacitatea termică a apei este de cel puțin două ori mai mare decât a oricărui alt lichid.

Căldura de vaporizare (~ 2250 kJ/kg) este de cel puțin trei ori mai mare decât cea a oricărui alt lichid, de 8 ori mai mare decât cea a etanolului.

Luați în considerare această ultimă proprietate a apei. Căldura de vaporizare este energia necesară pentru a rupe legăturile dintre molecule atunci când acestea trec din faza condensată în faza gazoasă. Aceasta înseamnă că motivul tuturor proprietăților paradoxale este în natura legăturilor intermoleculare ale apei, iar aceasta, la rândul său, este determinată de structura moleculei de apă.

Fig.1.1. Gama de rapoarte ale greutății moleculare a diferiților compuși și punctele lor de fierbere.

1. Ce este o moleculă de apă?

În 1780 Lavoisier a stabilit experimental că apa constă din oxigen și hidrogen, că două volume de hidrogen interacționează cu un volum de oxigen și că raportul dintre masele de hidrogen și oxigen din apă este de 2:16. Până în 1840, a devenit clar că formula moleculară a apei este H2O.

Trei nuclee dintr-o moleculă formează un triunghi isoscel cu doi protoni la bază (Fig. 1.2). Formula electronica molecule de apă [(1S 2)] [(1S 2)(2S 2)(2P 4)].

Fig.1.2.Formarea unui sistem de legare m.o. din orbitalii 2p ai atomului de oxigen și 1s-orbitalii atomului de oxigen si 1s-orbitalii atomilor de hidrogen.

Datorită participării a doi electroni ai hidrogenului 1s în legătură cu doi electroni 2p de oxigen, are loc hibridizarea sp și se formează orbitali hibrizi sp 3 cu un unghi caracteristic între ei de 104,5 °, precum și doi poli de sarcini opuse. Lungime Conexiuni O-N este de 0,95 Å (0,095 nm), distanța dintre protoni este de 1,54 Å (0,154 nm). Figura 1.3 prezintă modelul electronic al moleculei de apă.

Fig.1.3. Modelul electronic al moleculei H 2 O.

Opt electroni se rotesc în perechi în patru orbitali situati în trei plane (unghiuri 90 despre ) care se potrivesc în cub. 1, 2 - perechi singure de electroni.

Cea mai importantă consecință a acestei considerații: asimetria distribuției sarcinii transformă molecula de H 2 O într-un dipol: protonii sunt localizați la două capete pozitive, iar perechile singure de electroni p de oxigen sunt situate la două capete negative.

Astfel, o moleculă de apă poate fi considerată ca o piramidă triunghiulară - un tetraedru, la colțurile căruia sunt plasate patru sarcini - două pozitive și două negative.

Aceste încărcături formează mediul lor imediat, transformând moleculele de apă învecinate într-un mod strict definit - astfel încât să existe întotdeauna un singur atom de hidrogen între doi atomi de oxigen. Cel mai ușor este să ne imaginăm și să studiezi o astfel de structură intermoleculară pe apă în stare solidă. Figura 1.4 prezintă structura gheții.

Orez. 1.4. Structura hexagonală a gheții

Structura este ținută împreună prin legături O-H...O. O astfel de conexiune a doi atomi de oxigen ai moleculelor de apă învecinate mediată de un atom de hidrogen se numește legătură de hidrogen.

Legăturile de hidrogen apar din următoarele motive:

1 - protonul are un singur electron, astfel încât repulsia electronilor a doi atomi este minimă. Protonul se scufundă pur și simplu în învelișul de electroni a atomului vecin, reducând distanța dintre atomi cu 20-30% (până la 1 Å);

2 - atomul vecin trebuie să aibă o valoare mare a electronegativității. În termeni convenționali (după Pauling), electronegativitatea F este 4,0; 0-3,5;N-3,0;CI-3,0;C-2,5;S-2,5.

O moleculă de apă poate avea patru legături de hidrogen, în două acționează ca donor de electroni, în două acționează ca acceptor de electroni. Și aceste legături pot apărea atât cu moleculele de apă învecinate, cât și cu alte substanțe.

Deci momentul dipol unghiul H-O-H iar legătura de hidrogen О-Н…О determină proprietățile unice ale apei și joacă un rol major în modelarea lumii din jurul nostru.

Sarcina îndeplinită de Celula Mayer este descompunerea „ușoară” a moleculelor de apă sub acțiunea unui curent electric însoțit de radiații electromagnetice.

Pentru a o rezolva, să ne dăm seama ce este apa? Care este structura moleculelor de apă? Ce se știe despre moleculele de apă și legăturile lor? În articol, am folosit diverse publicații care sunt disponibile în cantități suficiente pe internet, dar sunt reproduse în număr mare, așa că nu îmi este clar cine este autorul lor și este o prostie pentru mine să mă refer la sursă. Mai mult, aceste publicații sunt „confuze” până la rușine, ceea ce face dificil de perceput și mărește semnificativ timpul de studiu. Analizând articolele, am extras ceva care vă poate ghida în înțelegerea cu ce ne vom ocupa în procesul de extragere a energiei ieftine, sau mai bine zis, în procesul de rupere a moleculelor de apă în componente - hidrogen și oxigen.

Deci, să luăm în considerare cele mai semnificative concepte despre structura moleculelor de apă!

Apa este o substanță a cărei unitate structurală principală este molecula de H 2 O, formată dintr-un atom de oxigen și doi atomi de hidrogen.

Molecula de apă are structura unui triunghi isoscel: în vârful acestui triunghi se află un atom de oxigen, iar la baza lui sunt doi atomi de hidrogen. Unghiul vârfului este de 104°27 și lungimea laturii este de 0,096 nm. Acești parametri se referă la starea ipotetică de echilibru a moleculei de apă fără oscilațiile și rotațiile acesteia. Geometria moleculei de apă și orbitele sale de electroni sunt prezentate în figură.

Molecula de apă este un dipol care conține sarcini pozitive și negative la poli. Dacă o moleculă de apă „liberă”, nelegată de alte molecule, este plasată într-un câmp electric, atunci se va „întoarce” cu polii negativi către placa pozitivă a câmpului electric și cu polii pozitivi către placa negativă. Acest proces este descris în Figura 1, poziția - 3B, explicând funcționarea celulei Mayer în articolul „Apă în loc de benzină”.

Dacă conectați epicentrii sarcinilor pozitive și negative cu linii drepte, obțineți o figură geometrică tridimensională - un tetraedru obișnuit. Aceasta este structura moleculei de apă în sine.

Datorită prezenței legăturilor de hidrogen, fiecare moleculă de apă formează o legătură de hidrogen cu 4 molecule învecinate, formând un cadru de plasă ajurat într-o moleculă de gheață. Această stare ordonată a moleculelor de apă este cea care poate fi numită „structură”. Fiecare moleculă poate forma simultan patru legături de hidrogen cu alte molecule la unghiuri strict definite, egale cu 109°28′, îndreptate către vârfurile tetraedrice, care nu permit formarea unei structuri dense la îngheț.

Când gheața se topește, structura sa tetragonală este distrusă și se formează un amestec de polimeri, format din tri-, tetra-, penta- și hexameri de apă și molecule de apă liberă.

În stare lichidă, apa este un lichid dezordonat. Aceste legături de hidrogen sunt spontane, de scurtă durată, rupte rapid și reformate.

Grupate, tetraedrele moleculelor de apă formează o varietate de structuri spațiale și plane.

Și din întreaga varietate de structuri din natură, baza este structura hexagonală (hexagonală), când șase molecule de apă (tetraedre) sunt combinate într-un inel.

Acest tip de structură este tipic pentru gheață, zăpadă și apa de topire, care, datorită prezenței unei astfel de structuri, se numește „apă structurată”. Se scriu multe despre proprietățile benefice ale apei structurate, dar nu acesta este subiectul articolului nostru. Ar fi logic ca apa structurată, care formează structuri hexagonale, este cea mai proastă versiune a structurii apei care poate fi folosită pentru descompunerea în hidrogen și oxigen. Permiteți-mi să explic de ce: moleculele de apă, grupând șase într-un hexamer, au o compoziție neutră din punct de vedere electric - hexamerii nu au poli pozitivi și negativi. Dacă plasați un hexamer de apă structurată într-un câmp electric, acesta nu va reacționa la el în niciun fel. Prin urmare, se poate concluziona logic că este necesar ca în apă să fie cât mai puține structuri organizate. De fapt, opusul este adevărat, un hexamer nu este o structură completă, există un concept și mai interesant - un cluster.

Structurile moleculelor de apă combinate sunt numite clustere, iar moleculele individuale de apă sunt numite cuante. Un cluster este un compus în vrac de molecule de apă, inclusiv hexameri, care are atât poli pozitivi, cât și negativi.

În apa distilată, clusterele sunt practic neutre din punct de vedere electric, deoarece, în urma evaporării, clusterele au fost distruse și, ca urmare a condensului, nu au apărut legături puternice între moleculele de apă. Cu toate acestea, conductivitatea lor electrică poate fi modificată. Dacă apa distilată este agitată cu un agitator magnetic, legăturile dintre elementele clusterelor vor fi parțial restaurate și conductivitatea electrică a apei se va modifica. Cu alte cuvinte, apa distilată este apa care are un număr minim de legături între molecule . În ea, dipolii moleculelor sunt într-o stare prost orientată, astfel încât constanta dielectrică a apei distilate este foarte mare și este un conducător slab al curentului electric. În același timp, pentru a crește controlabilitatea clusterelor de apă, i se adaugă acizi sau alcaline, care, participând la legăturile moleculare, nu permit moleculelor de apă să formeze structuri hexagonale, formând astfel electroliți. Apa distilată este opusul apei structurate, în care există un număr mare de legături între moleculele de apă în grupuri.

Pe site-ul meu există și vor apărea articole care, la prima vedere, sunt „separate” și nu au nicio legătură cu alte articole. De fapt, majoritatea articolelor site-ului sunt interconectate într-un întreg. În acest caz, descriind proprietățile apei distilate, folosesc teoria dipolului curentului electric, acesta este un concept alternativ de curent electric, care este confirmat atât de știință, cât și de practică mai bine decât conceptul clasic.

Când sunt expuși la energia unei surse de curent electric, toți dipolii atomilor de apă (ca conductor) se rotesc, orientându-și polii cu același nume într-o direcție. Dacă moleculele de apă au creat o structură de cluster (orientată reciproc) înainte de apariția unui câmp electric extern, atunci pentru orientarea într-un câmp electric extern este necesară o cantitate minimă de energie a sursei de curent electric. Dacă structura nu a fost organizată (cum ar fi apa distilată), atunci un numar mare de energie.

Rețineți că există o opinie „între oameni” că apa distilată și apa topită ar trebui să aibă aceleași proprietăți conductoare electrice, deoarece una și cealaltă nu au impurități chimice (de obicei săruri), acestea compoziție chimică este aceeași, iar structura moleculelor de apă este aceeași în apa topită și în apa distilată.

De fapt, totul arată invers, absența impurităților nu indică deloc proprietățile conductivității electrice a apei. Fără să-și dea seama de acest lucru, unii oameni „ucid” bateriile chiar și în stadiul de a le umple cu electrolit, de a înlocui apa distilată cu apă topită sau pur și simplu purificată printr-un filtru de carbon. De regulă, o baterie încărcată care este cumpărată de pe piața auto durează mai puțin decât una pe care ați cumpărat-o încărcată uscată și diluată acid sulfuric apă distilată, umpleți-o singur. Acest lucru se datorează faptului că un electrolit „gata făcut” sau o baterie încărcată este în prezent un mijloc de a câștiga bani și, pentru a determina ce fel de apă a fost folosit, este necesar să se efectueze o examinare costisitoare, nimeni nu se deranjează cu acest. Nu contează pentru comerciant cât ține bateria mașinii tale și nici nu vrei să te încurci cu acidul. Dar, vă asigur, bateria peste care transpirați va fi mult mai veselă la temperaturi sub zero decât una plină cu electrolit de sticla gata făcută.

Hai sa continuăm!

În apă, grupurile sunt periodic distruse și formate din nou. Timpul de salt este de 10 -12 secunde.

Deoarece structura moleculei de apă este asimetrică, centrele de greutate ale sarcinilor sale pozitive și negative nu coincid. Moleculele au doi poli - pozitiv și negativ, creând, ca un magnet, câmpuri de forță moleculară. Astfel de molecule se numesc polare sau dipoli, iar caracteristica cantitativă a polarității este determinată de momentul electric al dipolului, exprimat ca produsul distanței. l între centrele de greutate electrice ale sarcinilor pozitive și negative ale moleculei pe sarcină e în unități electrostatice absolute: p = l e

Pentru apă, momentul dipol este foarte mare: p = 6,13·10 -29 C·m.

Grupurile de apă de la granițele de fază (lichid-aer) se aliniază într-o anumită ordine, în timp ce toate clusterele oscilează cu aceeași frecvență, dobândind o frecvență comună. Cu o astfel de mișcare a clusterelor, ținând cont de faptul că moleculele de apă incluse în cluster sunt polare, adică au un moment dipol mare, ar trebui să se aștepte apariția radiației electromagnetice. Această radiație diferă de radiația dipolilor liberi, deoarece dipolii sunt legați și oscilează împreună într-o structură de cluster.

Frecvența de oscilație a clusterelor de apă și, în consecință, frecvența oscilațiilor electromagnetice pot fi determinate prin următoarea formulă:

Unde A este tensiunea superficială a apei la o temperatură dată; M
este masa clusterului.

Unde V este dimensiunea clusterului.

Volumul unui cluster este determinat luând în considerare dimensiunile structurii fractale închise a clusterului sau prin analogie cu dimensiunile unui domeniu proteic.
La temperatura camerei 18°C, frecvența de vibrație a clusterului f egală cu 6,79 10 9 Hz, adică lungimea de undă în spațiul liber ar trebui să fie λ = 14,18 mm.

Dar ce se va întâmpla când apa este expusă la radiații electromagnetice externe? Deoarece apa este o structură auto-organizată și conține atât elemente grupate, cât și molecule libere, următoarele vor apărea atunci când este expusă la radiații electromagnetice externe. Când moleculele de apă se apropie unele de altele (distanța se schimbă de la R 0 la R 1 ), energia de interacțiune se modifică cu o cantitate mai mare decât atunci când se îndepărtează una de alta (distanța se schimbă de la R 0 la R 2 ).

Dar, întrucât moleculele de apă au un moment dipol mare, în cazul unui câmp electromagnetic extern, ele vor oscila (de exemplu, de la R 1 la R 2 ). În acest caz, datorită dependenței date, câmpul electromagnetic aplicat va contribui mai mult la atragerea moleculelor și, prin urmare, la organizarea sistemului în ansamblu, adică. formarea unei structuri hexagonale.

În prezența impurităților în mediu acvatic, sunt acoperite cu o înveliș de hidrat în așa fel încât energia totală a sistemului tinde să capete o valoare minimă. Și dacă momentul dipol total al structurii hexagonale este egal cu zero, atunci în prezența impurităților, structura hexagonală din apropierea acestora este încălcată în așa fel încât sistemul să ia o valoare minimă, în unele cazuri hexagoanele sunt transformate în pentagoane, iar carcasa de hidratare are o formă apropiată de minge. Impuritățile (de exemplu, ionii Na +) pot stabiliza structura, făcând-o mai rezistentă la distrugere.

Un sistem de apă auto-organizat sub influența radiațiilor electromagnetice nu se va mișca în ansamblu, ci fiecare element al hexagonalului, iar în cazul impurităților local și de alt tip, structura se va deplasa, adică. va exista o distorsiune a geometriei structurii, i.e. apar tensiuni. Această proprietate a apei este foarte asemănătoare cu polimerii. Dar structurile polimerice au vremuri mari relaxare, care nu este 10 -11 -10 -12 s, ci minute sau mai mult. De aceea energia cuantelor de radiație electromagnetică, trecând în energia internă a unei structuri de apă organizate ca urmare a distorsiunilor acesteia, va fi acumulată de aceasta până când ajunge la energia legăturii de hidrogen, care este de 500–1000 de ori mai mare decât energia electromagnetică. camp. Când se atinge această valoare, legătura de hidrogen este ruptă, iar structura este distrusă.

Acest lucru poate fi comparat cu avalanșă de zăpadă când există o acumulare treptată, lentă de masă și apoi un colaps rapid. În cazul apei, nu numai legătura slabă dintre clustere este ruptă, ci și legături mai puternice - în structura moleculelor de apă. Ca rezultat al acestui decalaj, se pot forma H +, OH - și un electron hidratat e -. Culoarea albastră a apei pure se datorează prezenței acestor electroni și nu doar împrăștierii luminii naturale.

Concluzie

Astfel, atunci când este expusă la radiații electromagnetice cu apă, energia se acumulează în structura clusterului până la o anumită valoare critică, apoi legăturile sunt rupte atât între clustere, cât și altele, are loc o eliberare de energie asemănătoare unei avalanșe, care poate fi apoi transformată în alte tipuri.