Štruktúra molekúl vody, ich väzby a vlastnosti. Vplyv vonkajších fyzikálnych vplyvov na molekuly vody? Voda: jej zloženie, molekulárna štruktúra, fyzikálne vlastnosti

Ph.D. O.V. Mosin

Molekula vody je malý dipól obsahujúci kladné a záporné náboje na póloch. Pretože hmotnosť a náboj jadra kyslíka sú väčšie ako jadrá vodíka, elektrónový oblak sa zmršťuje smerom k jadru kyslíka. V tomto prípade sú jadrá vodíka „holé“. Elektrónový oblak má teda nerovnomernú hustotu. V blízkosti jadier vodíka je nedostatok elektrónovej hustoty a na opačnej strane molekuly, v blízkosti jadra kyslíka, je hustota elektrónov prebytok. Práve táto štruktúra určuje polaritu molekuly vody. Ak spojíte epicentrá kladných a záporných nábojov rovnými čiarami, získate objem geometrický obrazec je pravidelný štvorsten.

Štruktúra molekuly vody (obrázok vpravo)

V dôsledku prítomnosti vodíkových väzieb tvorí každá molekula vody vodíkovú väzbu so 4 susednými molekulami a vytvára tak prelamovanú sieťovinu v molekule ľadu. Voda je však v kvapalnom stave neusporiadaná kvapalina; tieto vodíkové väzby sú spontánne, krátkodobé, rýchlo sa zlomia a znovu sa vytvoria. To všetko vedie k heterogenite v štruktúre vody.

Vodíkové väzby medzi molekulami vody (obrázok nižšie vľavo)

Skutočnosť, že voda je vo svojom zložení heterogénna, bola preukázaná už dávno. Už dlho je známe, že ľad pláva na hladine vody, to znamená, že hustota kryštalického ľadu je menšia ako hustota kvapaliny.

Takmer vo všetkých ostatných látkach je kryštál hustejší ako kvapalná fáza. Navyše, aj po roztopení, keď teplota stúpa, hustota vody stále rastie a dosahuje maximum pri 4 °C. Menej známa je anomália v stlačiteľnosti vody: pri zahriatí z bodu topenia až na 40°C klesá a následne stúpa. Tepelná kapacita vody tiež závisí nemonotónne od teploty.

Okrem toho, pri teplotách pod 30 ° C, so zvýšením tlaku z atmosférického na 0,2 GPa, viskozita vody klesá a koeficient samodifúzie - parameter, ktorý určuje rýchlosť pohybu molekúl vody voči sebe navzájom - zvyšuje.

Pre ostatné kvapaliny je závislosť inverzná a takmer nikdy sa nestane, že by sa nejaký dôležitý parameter správal nemonotónne, t.j. najprv sa zvýšil a po prekročení kritickej hodnoty teploty alebo tlaku sa znížil. Predpokladalo sa, že voda v skutočnosti nie je jedna kvapalina, ale zmes dvoch zložiek, ktoré sa líšia vlastnosťami, ako je hustota a viskozita, a teda aj štruktúrou. Takéto myšlienky sa začali objavovať koncom 19. storočia, keď sa nahromadilo množstvo údajov o anomáliách vody.

Myšlienku, že voda pozostáva z dvoch zložiek, prvýkrát navrhol Whiting v roku 1884. Jeho autorstvo cituje E.F. Fritsman v monografii „Povaha vody. Ťažká voda“, publikovaná v roku 1935. V roku 1891 W. Rengten predstavil koncept dvoch stavov vody, ktoré sa líšia hustotou. Potom sa objavilo mnoho diel, v ktorých bola voda považovaná za zmes látok rôzneho zloženia („hydroly“).

Keď sa v 20. rokoch 20. storočia určovala štruktúra ľadu, ukázalo sa, že molekuly vody v kryštalickom stave tvoria trojrozmernú súvislú mriežku, v ktorej má každá molekula štyroch najbližších susedov umiestnených vo vrcholoch pravidelného štvorstenu. V roku 1933 J. Bernal a P. Fowler navrhli, že podobná sieť existuje aj v kvapalnej vode. Keďže voda je hustejšia ako ľad, verili, že molekuly sa v nej nenachádzajú ako v ľade, teda ako atómy kremíka v minerále tridymite, ale ako atómy kremíka v hustejšej modifikácii oxidu kremičitého – kremeňa. Zvýšenie hustoty vody pri zahriatí z 0 na 4 °C bolo vysvetlené prítomnosťou tridymitovej zložky pri nízkych teplotách. Model Bernal-Fowler si teda zachoval prvok dvojštruktúry, ale ich hlavným úspechom je myšlienka kontinuálnej štvorstennej siete. Potom sa objavil slávny aforizmus I. Langmuira: "Oceán je jedna veľká molekula." Prílišná konkretizácia modelu nepridala zástancom jednotnej teórie mriežok.

Až v roku 1951 vytvoril J. Popl model súvislej mriežky, ktorý nebol taký špecifický ako model Bernal-Fowler. Popl si vodu predstavoval ako náhodnú štvorstennú sieť, pričom väzby medzi molekulami sú zakrivené a majú rôzne dĺžky. Poplov model vysvetľuje zahusťovanie vody pri tavení ohybom väzieb. Keď sa v 60. a 70. rokoch objavili prvé definície štruktúry ľadov II a IX, bolo jasné, ako môže ohýbanie väzieb viesť k zhutneniu štruktúry. Popleov model nedokázal vysvetliť nemonotónnosť závislosti vlastností vody od teploty a tlaku, ako aj dvojstavové modely. Preto myšlienka dvoch štátov bola dlho zdieľaná mnohými vedcami.

Ale v druhej polovici 20. storočia nebolo možné toľko fantazírovať o zložení a štruktúre „hydrolov“ ako na začiatku storočia. Už sa vedelo, ako je usporiadaný ľad a kryštalické hydráty a vedeli veľa o vodíkových väzbách. Popri „kontinuálnych“ modeloch (Pople model) vznikli dve skupiny „zmiešaných“ modelov: klastrový a klatrátový. V prvej skupine sa voda javila ako zhluky molekúl spojených vodíkovými väzbami, ktoré sa vznášali v mori molekúl, ktoré sa na takýchto väzbách nezúčastňujú. Modely druhej skupiny považovali vodu za súvislú sieť (v tomto kontexte zvyčajne nazývanú kostra) vodíkových väzieb, ktorá obsahuje dutiny; obsahujú molekuly, ktoré netvoria väzby s molekulami kostry. Nebolo ťažké vybrať také vlastnosti a koncentrácie dvoch mikrofáz klastrových modelov či vlastnosti kostry a mieru vypĺňania jej dutín v klatrátových modeloch, aby sme vysvetlili všetky vlastnosti vody vrátane známych anomálií.

Spomedzi klastrových modelov bol najvýraznejší model G. Nemethyho a H. Sheragiho: ich obrázky zobrazujúce zhluky viazaných molekúl plávajúce v mori neviazaných molekúl boli zahrnuté v mnohých monografiách.

Prvý model klatrátového typu navrhol v roku 1946 O.Ya. Samoilov: vo vode je zachovaná sieť vodíkových väzieb podobná hexagonálnemu ľadu, ktorej dutiny sú čiastočne vyplnené monomérnymi molekulami. L. Pauling v roku 1959 vytvoril ďalšiu verziu, ktorá naznačuje, že sieť väzieb vlastná niektorým kryštalickým hydrátom môže slúžiť ako základ pre štruktúru.

V priebehu druhej polovice 60. a začiatku 70. rokov bolo pozorované zbližovanie všetkých týchto názorov. Objavili sa varianty klastrových modelov, v ktorých sú molekuly v oboch mikrofázach spojené vodíkovými väzbami. Priaznivci klatrátových modelov začali umožňovať vytváranie vodíkových väzieb medzi prázdnymi a kostrovými molekulami. To znamená, že autori týchto modelov považujú vodu za súvislú sieť vodíkových väzieb. A to hovoríme o tom, aká je táto mriežka nehomogénna (napríklad v hustote). Myšlienka vody ako zhlukov s vodíkovými väzbami plávajúcimi v mori molekúl vody bez väzieb bola ukončená začiatkom osemdesiatych rokov, keď G. Stanley aplikoval perkolačnú teóriu na vodný model, ktorý popisuje fázu prechody vody.

V roku 1999 slávny ruský vodný výskumník S.V. Zenin obhájil doktorandskú dizertačnú prácu o teórii klastrov na Ústave biomedicínskych problémov Ruskej akadémie vied, čo bol významný krok v presadzovaní tejto oblasti výskumu, ktorej komplexnosť je umocnená tým, že sú na priesečník troch vied: fyziky, chémie a biológie. Na základe údajov získaných tromi fyzikálno-chemickými metódami: refraktometriou (S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, 1994), vysokoúčinnou kvapalinovou chromatografiou (S.V. Zenin et al., 1998) a protónovou magnetickou rezonanciou (C .V. Zenin, 1993) skonštruované a dokázal geometrický model hlavnej stabilnej štruktúrnej formácie molekúl vody (štruktúrovaná voda), a následne (S.V. Zenin, 2004) bol získaný obraz pomocou fázového kontrastného mikroskopu týchto štruktúr.

Veda teraz dokázala, že vlastnosti fyzikálnych vlastností vody a početné krátkodobé vodíkové väzby medzi susednými atómami vodíka a kyslíka v molekule vody vytvárajú priaznivé príležitosti na vytváranie špeciálnych pridružených štruktúr (zhlukov), ktoré vnímajú, ukladajú a prenášajú široká škála informácií.

Štrukturálnou jednotkou takejto vody je zhluk pozostávajúci z klatrátov, ktorých charakter určujú coulombovské sily s dlhým dosahom. Štruktúra zhlukov kóduje informácie o interakciách, ktoré prebehli s týmito molekulami vody. Vo vodných klastroch môže v dôsledku interakcie medzi kovalentnými a vodíkovými väzbami medzi atómami kyslíka a atómami vodíka nastať migrácia protónov (H+) podľa mechanizmu prenosu, čo vedie k delokalizácii protónov v klastri.

Voda, pozostávajúca z mnohých zhlukov rôznych typov, tvorí hierarchickú priestorovú štruktúru tekutých kryštálov, ktorá dokáže vnímať a uchovávať obrovské množstvo informácií.

Na obrázku (V.L. Voeikov) sú ako príklad znázornené schémy niekoľkých jednoduchých zhlukových štruktúr.

Niektoré možné štruktúry vodných zhlukov

Nosičmi informácií môžu byť fyzické polia rôzneho charakteru. Bola tak stanovená možnosť vzdialenej informačnej interakcie štruktúry tekutých kryštálov vody s predmetmi rôzneho charakteru pomocou elektromagnetických, akustických a iných polí. Ovplyvňujúcim objektom môže byť aj osoba.

Voda je zdrojom ultraslabého a slabého striedavého elektromagnetického žiarenia. Najmenej chaotické elektromagnetické žiarenie vytvára štruktúrovaná voda. V tomto prípade môže dôjsť k indukcii zodpovedajúceho elektromagnetického poľa, ktoré zmení štrukturálne a informačné charakteristiky biologických objektov.

V posledných rokoch sa získali dôležité údaje o vlastnostiach podchladenej vody. Je veľmi zaujímavé študovať vodu pri nízkej teplote, pretože môže byť viac podchladená ako iné kvapaliny. Kryštalizácia vody spravidla začína na niektorých nehomogenitách - buď na stenách nádoby, alebo na plávajúcich časticiach pevných nečistôt. Preto nie je jednoduché nájsť teplotu, pri ktorej by podchladená voda samovoľne kryštalizovala. Vedcom sa to však podarilo a teraz je teplota takzvanej homogénnej nukleácie, keď dochádza k tvorbe ľadových kryštálov súčasne v celom objeme, známa pre tlaky až do 0,3 GPa, to znamená zachytávanie oblastí existencie ľadu. II.

Od atmosférického tlaku po hranicu oddeľujúcu ľady I a II táto teplota klesne z 231 na 180 K a potom sa mierne zvýši na 190 K. Pod touto kritickou teplotou je tekutá voda v zásade nemožná.

Štruktúra ľadu (obrázok vpravo)

S touto teplotou sa však spája jedna záhada. V polovici osemdesiatych rokov bola objavená nová modifikácia amorfného ľadu - ľad vysokej hustoty, čo pomohlo oživiť myšlienku vody ako zmesi dvoch stavov. Za prototypy neboli považované kryštalické štruktúry, ale štruktúry amorfného ľadu rôznych hustôt. V najzrozumiteľnejšej podobe tento koncept sformuloval E.G. Poniatovský a V.V. Sinitsin, ktorý v roku 1999 napísal: „Voda sa považuje za bežný roztok dvoch zložiek, ktorých miestne konfigurácie zodpovedajú poradiu modifikácií amorfného ľadu na krátke vzdialenosti. Navyše, štúdiom rádu krátkeho dosahu v podchladenej vode pri vysokom tlaku pomocou metód neutrónovej difrakcie boli vedci schopní nájsť komponenty zodpovedajúce týmto štruktúram.

V dôsledku polymorfizmu amorfných ľadov existovali aj predpoklady o stratifikácii vody na dve nemiešateľné zložky pri teplote pod hypotetickým nízkoteplotným kritickým bodom. Žiaľ, podľa výskumníkov je táto teplota pri tlaku 0,017 GPa 230 K, čo je pod teplotou nukleácie, takže oddeľovanie tekutej vody sa zatiaľ nikomu nepodarilo pozorovať. Oživenie dvojstavového modelu teda vyvolalo otázku nehomogenity siete vodíkových väzieb v kvapalnej vode. Túto heterogenitu možno pochopiť len pomocou počítačových simulácií.

Keď už hovoríme o kryštálovej štruktúre vody, treba poznamenať, že 14 úpravy ľadu, väčšina z nich sa nenachádza v prírode, v ktorej si molekuly vody zachovávajú svoju individualitu a sú spojené vodíkovými väzbami. Na druhej strane existuje veľa variantov siete vodíkových väzieb v hydrátoch klatrátov. Energie týchto sietí (vysokotlakové ľady a hydráty klatrátov) nie sú oveľa vyššie ako energie kubických a šesťhranných ľadov. Preto sa fragmenty takýchto štruktúr môžu objaviť aj v tekutej vode. Je možné navrhnúť nespočetné množstvo rôznych neperiodických fragmentov, ktorých molekuly majú štyroch najbližších susedov umiestnených približne pozdĺž vrcholov štvorstenu, ale ich štruktúra nezodpovedá štruktúram známych modifikácií ľadu. Početné výpočty ukázali, že interakčné energie molekúl v takýchto fragmentoch budú blízko seba a nie je dôvod tvrdiť, že v kvapalnej vode by mala prevládať nejaká štruktúra.

Štrukturálne štúdie vody možno študovať rôznymi metódami; protónová magnetická rezonančná spektroskopia, infračervená spektroskopia, röntgenová difrakcia atď. Napríklad röntgenová a neutrónová difrakcia vo vode bola študovaná mnohokrát. Tieto experimenty však nemôžu poskytnúť podrobné informácie o štruktúre. Nehomogenity líšiace sa hustotou bolo možné vidieť z malého uhla röntgenového žiarenia a rozptylu neutrónov, ale takéto nehomogenity musia byť veľké a musia pozostávať zo stoviek molekúl vody. Bolo by možné ich vidieť a skúmať rozptyl svetla. Voda je však mimoriadne číra kvapalina. Jediným výsledkom difrakčných experimentov sú funkcie radiálneho rozloženia, teda vzdialenosti medzi atómami kyslíka, vodíka a kyslíka a vodíka. Je z nich vidieť, že v usporiadaní molekúl vody neexistuje žiadny ďalekonosný poriadok. Tieto funkcie sa pre vodu rozpadajú oveľa rýchlejšie ako pre väčšinu iných kvapalín. Napríklad distribúcia vzdialeností medzi atómami kyslíka pri teplote blízkej izbovej teplote dáva iba tri maximá, pri 2,8, 4,5 a 6,7 ​​Á. Prvé maximum zodpovedá vzdialenosti k najbližším susedom a jeho hodnota sa približne rovná dĺžke vodíkovej väzby. Druhé maximum je blízko priemernej dĺžky okraja štvorstenu – pamätajte, že molekuly vody v šesťuholníkovom ľade sa nachádzajú vo vrcholoch štvorstenu opísaných okolo centrálnej molekuly. A tretie maximum, vyjadrené veľmi slabo, zodpovedá vzdialenosti od tretieho a vzdialenejšieho suseda vo vodíkovej sieti. Toto maximum samo o sebe nie je príliš jasné a o ďalších vrcholoch nie je potrebné hovoriť. Boli pokusy získať podrobnejšie informácie z týchto distribúcií. Takže v roku 1969 I.S. Andrianov a I.Z. Fisher našiel vzdialenosti až k ôsmemu susedovi, pričom sa ukázalo, že k piatemu susedovi sú 3 Å a k šiestemu susedovi 3,1 Å. To umožňuje získať údaje o vzdialenom prostredí molekúl vody.

Ďalšia metóda na štúdium štruktúry - neutrónová difrakcia na vodných kryštáloch sa uskutočňuje presne rovnakým spôsobom ako röntgenová difrakcia. Avšak vzhľadom na skutočnosť, že dĺžky rozptylu neutrónov sa pre rôzne atómy až tak nelíšia, metóda izomorfnej substitúcie sa stáva neprijateľnou. V praxi sa zvyčajne pracuje s kryštálom, ktorého molekulárna štruktúra už bola približne stanovená inými metódami. Pre tento kryštál sa potom merajú intenzity neutrónovej difrakcie. Na základe týchto výsledkov sa uskutoční Fourierova transformácia, počas ktorej sa použijú namerané intenzity a fázy neutrónov, vypočítané s prihliadnutím na nevodíkové atómy, t.j. atómy kyslíka, ktorých poloha v modeli štruktúry je známa. Potom na Fourierovej mape získanej týmto spôsobom sú atómy vodíka a deutéria zastúpené veľa veľké váhy než na mape elektrónovej hustoty, pretože príspevok týchto atómov k rozptylu neutrónov je veľmi veľký. Z tejto mapy hustoty je možné napríklad určiť polohu atómov vodíka (záporná hustota) a atómov deutéria (kladná hustota).

Je možná variácia tejto metódy, ktorá spočíva v tom, že kryštál vytvorený vo vode sa pred meraním uchováva v ťažkej vode. V tomto prípade neutrónová difrakcia umožňuje nielen určiť, kde sa nachádzajú atómy vodíka, ale odhaľuje aj tie z nich, ktoré je možné vymeniť za deutérium, čo je obzvlášť dôležité pri štúdiu výmeny izotopov (H-D). Takéto informácie pomáhajú potvrdiť správnosť vytvorenia štruktúry.

Aj iné metódy umožňujú študovať dynamiku molekúl vody. Ide o experimenty kvázielastického rozptylu neutrónov, ultrarýchlu IR spektroskopiu a štúdium difúzie vody pomocou NMR alebo značených atómov deutéria. Metóda NMR spektroskopie je založená na skutočnosti, že jadro atómu vodíka má magnetický moment - spin, ktorý interaguje s magnetickými poľami, konštantný a premenlivý. Z NMR spektra možno usúdiť, v akom prostredí sa tieto atómy a jadrá nachádzajú, čím sa získajú informácie o štruktúre molekuly.

Výsledkom experimentov s kvázielastickým rozptylom neutrónov vo vodných kryštáloch bol nameraný najdôležitejší parameter, koeficient samodifúzie, pri rôznych tlakoch a teplotách. Aby bolo možné posúdiť koeficient vlastnej difúzie z kvázi elastického rozptylu neutrónov, je potrebné urobiť predpoklad o povahe molekulárneho pohybu. Ak sa pohybujú v súlade s Ya.I. Frenkel (známy domáci teoretický fyzik, autor Kinetic Theory of Fluids, klasickej knihy preloženej do mnohých jazykov), nazývaný aj model jump-wait, vtedy čas „usadeného“ života (čas medzi skokmi) molekuly je 3,2 pikosekundy. Najnovšie metódy femtosekundovej laserovej spektroskopie umožnili odhadnúť životnosť prerušenej vodíkovej väzby: protón potrebuje 200 fs, kým si nájde partnera. Všetko sú to však priemery. Študovať podrobnosti o štruktúre a povahe pohybu molekúl vody je možné len pomocou počítačovej simulácie, niekedy nazývanej aj numerický experiment.

Takto vyzerá štruktúra vody podľa výsledkov počítačovej simulácie (podľa údajov doktora chemických vied G. G. Malenkova). Všeobecnú neusporiadanú štruktúru možno rozdeliť na dva typy oblastí (znázornené tmavými a svetlými guľôčkami), ktoré sa líšia svojou štruktúrou, napríklad objemom Voronoiovho mnohostenu (a), stupňom tetraedrality najbližšieho prostredia ( b), hodnota potenciálnej energie (c), a tiež v prítomnosti štyroch vodíkových väzieb v každej molekule (d). Tieto oblasti však doslova v okamihu, po niekoľkých pikosekundách, zmenia svoju polohu.

Simulácia sa robí takto. Zoberie sa štruktúra ľadu a zahrieva sa, kým sa neroztopí. Potom, po určitom čase, aby voda „zabudla“ na kryštalický pôvod, sa urobia okamžité mikrofotografie.

Na analýzu štruktúry vody sa vyberajú tri parametre:
- miera odchýlky lokálneho prostredia molekuly od vrcholov pravidelného štvorstenu;
-potenciálna energia molekúl;
je objem takzvaného Voronoiho mnohostena.

Na zostrojenie tohto mnohostenu sa vezme hrana danej molekuly k najbližšej, rozdelí sa na polovicu a cez tento bod sa nakreslí rovina kolmá na hranu. Toto je objem na molekulu. Objem mnohostenu je hustota, tetraedralita je stupeň skreslenia vodíkových väzieb, energia je stupeň stability konfigurácie molekúl. Molekuly s blízkymi hodnotami každého z týchto parametrov majú tendenciu zoskupovať sa do samostatných zhlukov. Regióny s nízkou aj vysokou hustotou majú rôzne hodnoty energie, ale môžu mať rovnaké hodnoty. Experimenty ukázali, že oblasti s rôznymi štruktúrami, zhluky, vznikajú spontánne a spontánne sa rozkladajú. Celá štruktúra vody žije a neustále sa mení a čas, počas ktorého k týmto zmenám dochádza, je veľmi malý. Vedci sledovali pohyby molekúl a zistili, že vytvárajú nepravidelné oscilácie s frekvenciou asi 0,5 ps a amplitúdou 1 angstrom. Pozorované boli aj zriedkavé pomalé skoky v angstromoch, ktoré trvajú pikosekundy. Vo všeobecnosti sa pri 30 ps môže molekula pohybovať o 8-10 angstromov. Životnosť miestneho prostredia je tiež malá. Oblasti zložené z molekúl s blízkymi hodnotami objemu Voronoiho mnohostenu sa môžu rozpadnúť za 0,5 ps a môžu žiť niekoľko pikosekúnd. Ale distribúcia životnosti vodíkových väzieb je veľmi veľká. Tento čas však nepresahuje 40 ps a priemerná hodnota je niekoľko ps.

Na záver treba zdôrazniť, že Teória zhlukovej štruktúry vody má veľa úskalí. Napríklad Zenin naznačuje, že hlavným štrukturálnym prvkom vody je zhluk 57 molekúl vytvorených fúziou štyroch dvanásťstenov. Majú spoločné tváre a ich stredy tvoria pravidelný štvorsten. Skutočnosť, že molekuly vody môžu byť umiestnené vo vrcholoch päťuholníkového dvanásťstena, je už dlho známa; taký dvanásťsten je základom hydrátov plynov. Preto nie je nič prekvapujúce na predpoklade, že takéto štruktúry existujú vo vode, hoci už bolo povedané, že žiadna konkrétna štruktúra nemôže byť dominantná a existovať dlho. Preto je zvláštne, že sa tento prvok považuje za hlavný a vstupuje do neho presne 57 molekúl. Z guľôčok je napríklad možné zostaviť rovnaké štruktúry, ktoré pozostávajú z navzájom susediacich dvanásťstenov a obsahujú 200 molekúl. Zenin na druhej strane tvrdí, že proces trojrozmernej polymerizácie vody sa zastaví na 57 molekulách. Väčší spoločníci by podľa neho nemali byť. Ak by to tak však bolo, z vodnej pary by sa nemohli vyzrážať šesťuholníkové ľadové kryštály, ktoré obsahujú obrovské množstvo molekúl spojených vodíkovými väzbami. Je úplne nejasné, prečo sa rast klastra Zenin zastavil na 57 molekulách. Aby sa predišlo rozporom, Zenin balí zhluky aj do zložitejších útvarov – kosoštvorcových útvarov – takmer tisíc molekúl a počiatočné zhluky medzi sebou nevytvárajú vodíkové väzby. prečo? Ako sa molekuly na ich povrchu líšia od tých vo vnútri? Podľa Zenina vzor hydroxylových skupín na povrchu kosoštvorcov poskytuje pamäť vody. V dôsledku toho sú molekuly vody v týchto veľkých komplexoch pevne fixované a samotné komplexy sú pevné látky. Takáto voda nebude tiecť a jej bod topenia, ktorý súvisí s molekulovou hmotnosťou, musí byť dosť vysoký.

Aké vlastnosti vody vysvetľuje Zenin model? Keďže model je založený na tetraedrických štruktúrach, môže byť viac-menej konzistentný s röntgenovými a neutrónovými difrakčnými údajmi. Je však nepravdepodobné, že by model mohol vysvetliť pokles hustoty počas topenia - balenie dvanástichstenov je menej husté ako ľad. Najťažšie je však súhlasiť s modelom s dynamickými vlastnosťami – tekutosťou, veľkou hodnotou koeficientu vlastnej difúzie, krátkou koreláciou a dielektrickými relaxačnými časmi, ktoré sa merajú v pikosekundách.

Ph.D. O.V. Mosin

Referencie:
G.G. Malenkov. Pokroky vo fyzikálnej chémii, 2001
S.V. Zenin, B.M. Polanuer, B.V. Tyaglov. Experimentálny dôkaz prítomnosti vodných frakcií. G. Homeopatická medicína a akupunktúra. 1997. č. 2. S. 42-46.
S.V. Zenin, B.V. Tyaglov. Hydrofóbny model štruktúry asociátov molekúl vody. Zh.Phys.chemistry.1994.T.68.No.4.S.636-641.
S.V. Zenin Skúmanie štruktúry vody metódou protónovej magnetickej rezonancie. Dokl.RAN.1993.T.332.č.3.S.328-329.
S.V.Zenin, B.V.Tyaglov. Povaha hydrofóbnej interakcie. Výskyt orientačných polí vo vodných roztokoch. J.Phys.chemistry.1994.T.68.No.3.S.500-503.
S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, G.B. Sergeev, Z.A. Šabarová. Štúdium intramolekulárnych interakcií v nukleotidových amidoch pomocou NMR. Materiály 2. celozväzovej konf. Podľa dynamiky Stereochémia. Odesa.1975.s.53.
S.V. Zenin. Štruktúrovaný stav vody ako základ riadenia správania a bezpečnosti živých systémov. Diplomová práca. Doktor biologických vied. Štátne vedecké centrum "Ústav biomedicínskych problémov" (SSC "IMBP"). Obhájený 1999. 05. 27. MDT 577.32:57.089.001.66.207 p.
IN AND. Slesarev. Správa o pokroku výskumu

Voda - anorganická hmota, ktorého molekuly pozostávajú z dvoch atómov vodíka a jedného atómu kyslíka. Množstvo vody nie je v rôznych organizmoch rovnaké. Najviac vody obsahujú medúzy (95-98%), riasy (viac ako 80%), najmenej hmyz (40-50%), lišajník (5-7%). V tele cicavcov je v priemere 75% vody, vrátane ľudí - 60-65% telesnej hmotnosti. Množstvo vody nie je rovnaké v rôznych tkanivách a orgánoch toho istého organizmu. Napríklad u ľudí je obsah vody v tkanivách a orgánoch nasledovný: krv (83,0 %), obličky (82,7 %), srdce (79,2 %), pľúca (79,0 %), svaly (75, 6 %), mozog ( 74,8 %), koža (72,0 %), kostra (22,0 %), tukové tkanivo (10,0 %).

Väčšina vody (70% objemu) je v bunkách tela vo voľnej a viazanej forme, menšia časť (30% objemu) sa pohybuje v extracelulárnom priestore tela a je vo voľnom stave. viazaná voda(4 5 %) je viazaná osmoticky (voda vo väzbách s iónmi a zlúčeninami s nízkou molekulovou hmotnosťou), koloidne viazaná (voda vo väzbách s vnútornými aj povrchovými chemickými skupinami zlúčenín s vysokou molekulovou hmotnosťou) a štruktúrne viazaná (voda v uzavretom priestore o vysokomolekulárne biopolyméry komplexnej štruktúry). voľná voda(95-96%) je univerzálne rozpúšťadlo.

Hodnota vody . Kvantitatívne je voda na prvom mieste medzi chemickými zlúčeninami akejkoľvek bunky. Prítomnosť vody je predpokladom pre život organizmov. Aké funkcie plní táto najbežnejšia látka na Zemi v biosystémoch?

Voda je univerzálnym rozpúšťadlom pre iónové a mnohé kovalentné zlúčeniny, zabezpečuje priebeh chemických reakcií, transport látok do bunky a z bunky.

Voda - činidlo, za účasti ktorých sa v bunkách vyskytujú hydrolýzne a hydratačné reakcie, redoxné a acidobázické reakcie.

Voda - regulátor tepla, udržiava optimálny tepelný režim organizmov a zabezpečuje rovnomerné rozloženie tepla v živých systémoch.

Voda - osmoregulátor, ktorý poskytuje tvar buniek, transport nie je organickej hmoty.

Voda - podpora, poskytuje elastický stav buniek (turgor), pôsobí ako tlmič nárazov z mechanických vplyvov na telo, plní funkciu hydroskeletu u mnohých zvierat.

Voda - spôsob dopravy, uskutočňuje komunikáciu v bunkách, medzi bunkami, tkanivami, orgánmi a zabezpečuje homeostázu a fungovanie organizmu ako celku.

Voda - biotop pre vodné organizmy sa v nej uskutočňuje pasívny pohyb, vonkajšie oplodnenie, rozširovanie semien, gamét a larválnych štádií suchozemských organizmov.

Voda - konformér, má veľký význam pri organizácii priestorovej štruktúry (konformácie) biopolymérov.

Vlastnosti vody. Úloha vody v biosystémoch je určená jej fyzikálno-chemickými vlastnosťami.

■ Čistú vodu charakterizuje priehľadnosť, nedostatok chuti, farby, vône. Prírodná voda vždy obsahuje rôzne nečistoty: rozpustené látky vo forme iónov, nerozpustené látky vo forme suspenzie. Voda je jedinou látkou na Zemi, ktorá sa vyskytuje súčasne a vo veľkých množstvách v kvapalnom, pevnom a plynnom skupenstve.

■ Hustota vody pri 4°C je maximálna a je 1g/cm3. S klesajúcou teplotou klesá hustota, takže ľad pláva na hladine vody.

■ Voda má abnormálne vysoké špecifické teplo (4,17 J/GC), teplo vyparovania (pri 100 °C - 2253 J/g), teplo topenia (pri 0 °C - 333,98 J/g).

■ Voda má mimoriadne vysoké povrchové napätie v dôsledku silných kohéznych (kohéznych) síl spojených s tvorbou vodíkových väzieb medzi molekulami.

■ Na vodu charakteristickú vlastnosť lepenie (adhézia), ktoré sa prejavuje v prípade jeho zdvihnutia proti gravitačným silám.

■ Voda v kvapalnom stave sa vyznačuje tekutosťou, nestláčaním, čo spôsobuje javy osmóza a turgor.

■ Voda má amfotérne vlastnosti, to znamená, že vykazuje vlastnosti kyseliny aj zásady a zúčastňuje sa acidobázických reakcií.

■ Voda je schopná pôsobiť ako redukčné činidlo aj ako oxidačné činidlo, pričom uskutočňuje biologicky dôležité redoxné reakcie metabolizmu.

■ Molekuly vody sú polárne, vďaka čomu sa podieľajú na hydratačných reakciách, ktoré zabezpečujú rozpúšťanie mnohých chemických zlúčenín.

■ Voda sa zúčastňuje biologicky dôležitých rozkladných reakcií – reakcií hydrolýza.

■ Molekuly vody sú schopné disociovať na ióny: H2O = H + + OH.

Vlastnosti štruktúry molekúl vody. Jedinečné vlastnosti voda je určená štruktúrou jej molekúl.

V molekule vody je každý atóm vodíka umiestnený na atóme kyslíka. kovalentná väzba, ktorého energia je takmer 110 kcal/mol. Vďaka tomu je voda veľmi stabilná chemická zlúčenina. Vodná para sa začína rozkladať na O a H pri teplotách nad 1000°C.

V molekule vody sú dva páry elektrónov zo štyroch tvorené kovalentnou väzbou a sú posunuté na jednu zo strán molekuly s vytvorením dvoch kladne nabitých pólov. A ďalšie dva páry zostávajú nerozdelené a sú posunuté vzhľadom k jadru atómu kyslíka na opačnú stranu, kde tvoria dva negatívne nabité póly.

Molekuly vody sú teda polárne.

V dôsledku polarity môžu susedné molekuly vody interagovať navzájom a s molekulami polárnych látok, aby sa vytvorili vodíkové väzby, spôsobuje jedinečné fyzikálne vlastnosti a biologické funkcie vody. Energia tejto väzby je v porovnaní s energiou kovalentnej väzby malá. Je to len 4,5 kcal / mol a vďaka tepelnému pohybu sa tieto väzby medzi molekulami vody neustále vytvárajú a rušia. Vodíkové väzby - ide o väzby medzi dvoma kovalentne viazanými atómami s vysokou hodnotou elektronegativity (Oh, N, F) cez atóm vodíka H. Zvyčajne sa vodíková väzba označuje tromi bodkami a to zn , že je oveľa slabší ; než kovalentná väzba (asi 15-20 krát).

Vodíkové väzby zohrávajú rozhodujúcu úlohu pri tvorbe špecifickej kvázi a kryštalickej štruktúry vody. Podľa moderných koncepcií je základom štruktúry vody krištáľová bunka s časťou voľných molekúl vody rozmazaných tepelným pohybom. Voda v pevnom stave je charakterizovaná molekulárnymi kryštálovými mriežkami, pretože kryštály sú postavené z molekúl, ktoré sú navzájom spojené vodíkovými väzbami. Práve prítomnosť prvkov kryštálovej mriežky, ako aj dipólový charakter molekúl vody určujú veľmi vysokú hodnotu relatívnej permitivity vody.

Molekuly kvapalnej vody sú schopné polymerizácie alebo asociácie s tvorbou asociátov (Н2О) n. K tvorbe hustých asociátov dochádza pri +4 C, čo vysvetľuje vysokú hustotu vody pri tejto teplote. Pri zahrievaní sa vodíkové väzby zničia a asociáty sa začnú štiepiť, pretože energia tepelného pohybu sa z energie týchto väzieb zväčšuje. Prerušenie väzieb vyžaduje veľa energie, a preto vysoký bod varu a merná tepelná kapacita vody. To je nevyhnutné pre organizmy počas kolísania teploty prostredia.

Röntgenová difrakčná analýza vody zistila, že fragmenty štruktúry ľadu zostávajú v kvapalnej vode. Pri teplote 20 °C je asi 70 % molekúl vo vode vo forme agregátov, z ktorých každá obsahuje priemerne 57 molekúl. Takéto jednotky sú tzv klastre. Molekuly vody, ktoré tvoria zhluk, sú viazané a metabolicky inertné. Len voľné molekuly vody hrajú aktívnu úlohu v metabolických reakciách. Ak existuje veľa zhlukov, vedie to k imobilizácii vody, to znamená k vylúčeniu voľnej vody, obmedzeniu enzymatických procesov a zníženiu funkčnej aktivity bunky.

BIOLÓGIA +Počas disociácie určitých elektrolytov, vrátane vody, vznikajú H ióny + a on - , ktorého koncentrácia určuje kyslosť alebo zásaditosť roztokov, a teda štrukturálne vlastnosti a aktivitu mnohých biomolekúl a životných procesov. Táto koncentrácia sa meria pomocou pH indikátor - pH. pH je záporný dekadický logaritmus koncentrácie

H ióny + . V čistej vode je táto koncentrácia 1-10 -7 mol/l (- denník 10 -7 = 7 ) . Preto neutrálna reakcia vody zodpovedá pH 7, kyslému pH<7 и основной -pH>7. Dĺžka pH stupnice je od 0 do 14. Hodnota pH v bunkách je mierne zásaditá. Zmena o jednu alebo dve jednotky je pre bunku škodlivá. Konštantnosť pH v článkoch je udržiavaná pufrovými systémami, ktoré obsahujú zmes elektrolytov. Sú tvorené slabými kyselinami. (darca H +) a jeho pridružená základňa (akceptor H +) , ktoré v súlade s tým viažu ióny H + a OH väzby - , vďaka čomu sa pH reakcia vo vnútri bunky takmer nemení.

hydrofilné a hydrofóbne zlúčeniny. V molekulách vody sú dva páry spoločných elektrónov posunuté smerom ku kyslíku, tzv nabíjačka vo vnútri molekúl je rozložená nerovnomerne: protóny H + spôsobujú kladný náboj na jednom póle a elektrónové páry kyslíka spôsobujú záporný náboj na opačnom póle. Tieto náboje majú rovnakú veľkosť a nachádzajú sa v určitej vzdialenosti od seba. Takže molekula vody je konštanta dipól, ktoré môžu interagovať s nosičmi kladných a záporných nábojov. Prítomnosť pólov v molekulách vody vysvetľuje schopnosť vody chemické reakcie hydratácia.

Vďaka svojej polarite sa molekuly vody môžu pripojiť k molekulám alebo iónom látok rozpustných vo vode a vytvárať hydráty (zlúčeniny vody s rozpustenou látkou). Tieto reakcie sú exotermické a na rozdiel od hydrolytických reakcií nie je hydratácia sprevádzaná tvorbou vodíkových alebo hydroxidových iónov.

Keď molekuly vody interagujú s molekulami polárnych látok, príťažlivosť molekúl vody k inej látke prevyšuje energiu príťažlivosti medzi molekulami vody. Preto sú molekuly alebo ióny takýchto zlúčenín zabudované do všeobecného systému vodíkových väzieb vody. hydrofilné látky - Ide o polárne látky, ktoré sú schopné dobre sa rozpúšťať vo vode. Sú to rozpustné kryštalické soli, monosacharidy, určité aminokyseliny, nukleové kyseliny atď.

V prípade interakcie molekúl vody s molekulami nepolárnych látok bude energia príťažlivosti molekúl vody v nich menšia ako energia vodíkových väzieb. Nepolárne molekuly sa snažia izolovať od molekúl vody, zoskupujú sa a sú vytesňované z vodného roztoku. Hydrofóbne látky - Ide o nepolárne látky, ktoré sa nerozpúšťajú vo vode. Sú to nerozpustné minerálne soli, lipidy, polysacharidy, určité proteíny atď. Niektoré organické molekuly majú dvojaké vlastnosti: v niektorých oblastiach sú koncentrované polárne skupiny a v iných nepolárne. Sú to mnohé proteíny, fosfolipidy. volajú sa amfifilné látky.

Kde je uhlík, tam je množstvo organických látok, kde je uhlík, tam sú najrozmanitejšie štruktúry z hľadiska molekulárnej architektúry.

Encyklopédia mladého chemika

Zloženie vody možno určiť pomocou rozkladnej reakcie elektrickým prúdom. Na jeden objem kyslíka vznikajú dva objemy vodíka (objem plynu je úmerný množstvu látky):

2H20 \u003d 2H2 + O2

Voda sa skladá z molekúl. Každá molekula obsahuje dva atómy vodíka spojené kovalentnými väzbami s jedným atómom kyslíka. Uhol medzi väzbami je asi 105°:
O-H
H

Keďže kyslík je elektronegatívny prvok (silné oxidačné činidlo), spoločný elektrónový pár kovalentnej väzby sa posunie k atómu kyslíka, vznikne na ňom čiastočný záporný náboj δ− a čiastočný kladný náboj δ+ na atómy vodíka. Susedné molekuly sú navzájom priťahované opačnými nábojmi - to spôsobuje relatívne vysoká teplota vriaca voda.

Voda pri izbovej teplote je bezfarebná priehľadná kvapalina. Bod topenia 0ºC, bod varu pri atmosférickom tlaku - 100°C. Čistá voda nevedie elektrický prúd.

Zaujímavosťou vody je, že má najvyššiu hustotu 1 g/cm3 pri teplote okolo 4°C. S ďalším znižovaním teploty hustota vody klesá. Preto sa s nástupom zimy horné mrazivé vrstvy vody stávajú ľahšími a neklesajú. Na povrchu sa tvorí ľad. K zamrznutiu nádrže na dno zvyčajne nedochádza (okrem toho má ľad aj hustotu menej vody a pláva na hladine).

Chemické vlastnosti :

na hlavné znečisťujúce látky prírodná voda zahŕňajú odpadové vody z priemyselných podnikov obsahujúce zlúčeniny ortuti, arzénu a iných toxických prvkov. Odpadová voda z komplexov hospodárskych zvierat a miest môže obsahovať odpad, ktorý spôsobuje rýchly vývoj baktérií. Veľkým nebezpečenstvom pre prírodné vodné útvary je nesprávne skladovanie (ktoré neposkytuje ochranu pred zrážok) alebo používanie hnojív a pesticídov splachovaných do vodných útvarov. Doprava, najmä voda, znečisťuje vodné plochy ropnými produktmi a domáci odpad hodili bezohľadní ľudia priamo do vody.

Na ochranu vôd je potrebné zaviesť uzavretý vodovod do priemyselných podnikov, komplexné spracovanie surovín a odpadov, výstavbu čistiarní, environmentálnu výchovu obyvateľstva.

* Soľné roztoky sa používajú na elektrolýzu vody

2. Skúsenosti. Rozpoznanie soli kyseliny uhličitej medzi tromi navrhovanými soľami.

Kvalitatívna reakcia na uhličitany je interakcia s kyselinami sprevádzaná rýchlym uvoľňovaním oxidu uhličitého:

CaC03 + 2HCl \u003d CaCl2 + H20 + CO2

alebo v iónovej forme:

C032- + 2H+ = H20 + C02

Je možné dokázať, že ide o oxid uhoľnatý (IV), ktorý sa uvoľňuje prechodom cez roztok vápennej vody, čo spôsobuje jeho zakalenie:

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

Na rozpoznanie soli kyseliny uhličitej pridajte do všetkých troch skúmaviek trochu kyseliny (aby pri „varení“ nepretiekla). Tam, kde sa bude uvoľňovať bezfarebný plyn bez zápachu, je uhličitan.

Voda je najbežnejšou a najbežnejšou látkou v našom živote. Ľudské telo pozostáva zo 70% vody a prírodné prostredie okolo nás obsahuje tiež 70% vody.

Od školské učebnice vieme, že molekula vody sa skladá z atómu kyslíka a dvoch atómov vodíka, t.j. jedna z najmenších a najľahších molekúl. Pri všetkej rutine a samozrejmosti tých vlastností vody, ktoré neustále využívame, existujú paradoxy tekutej vody, ktoré dokonca určujú formy života na Zemi.

Tekutá voda má väčšiu hustotu ako ľad. Preto sa pri mrazení zväčšuje objem ľadu, ľad pláva na hladine vody.

Hustota vody je maximálna pri 4 ° C, a nie pri teplote topenia, klesá vpravo aj vľavo od tejto teploty.

Viskozita vody klesá so zvyšujúcim sa tlakom.

Teplota varu vody je mimo všeobecnej závislosti teploty varu od molekulovej hmotnosti látok (obr. 1.1). V opačnom prípade by nemala byť vyššia ako 60 o C.

Tepelná kapacita vody je najmenej dvakrát väčšia ako u akejkoľvek inej kvapaliny.

Výparné teplo (~ 2250 kJ/kg) je najmenej trikrát vyššie ako u akejkoľvek inej kvapaliny, 8-krát vyššie ako u etanolu.

Zvážte túto poslednú vlastnosť vody. Výparné teplo je energia potrebná na prerušenie väzieb medzi molekulami, keď prechádzajú z kondenzovanej fázy do plynnej. To znamená, že dôvod všetkých paradoxných vlastností je v povahe medzimolekulových väzieb vody, a to je zase určené štruktúrou molekuly vody.

Obr.1.1. Rozsah pomerov molekulovej hmotnosti rôznych zlúčenín a ich bodov varu.

1. Čo je molekula vody?

V roku 1780 Lavoisier experimentálne zistil, že voda pozostáva z kyslíka a vodíka, že dva objemy vodíka interagujú s jedným objemom kyslíka a že pomer hmotností vodíka a kyslíka vo vode je 2:16. V roku 1840 sa ukázalo, že molekulárny vzorec vody je H2O.

Tri jadrá v molekule tvoria rovnoramenný trojuholník s dvoma protónmi na báze (obr. 1.2). Elektronický vzorec molekuly vody [(1S 2)] [(1S 2)(2S 2)(2P 4)].

Obr.1.2.Vytvorenie systému viazania m.o. z 2p orbitálov atómu kyslíka a 1s-orbitály atómu kyslíka a 1s-orbitály atómov vodíka.

V dôsledku účasti dvoch elektrónov vodíka 1s v spojení s dvoma elektrónmi 2p kyslíka dochádza k hybridizácii sp a vytvárajú sa hybridné orbitály sp 3 s charakteristickým uhlom medzi nimi 104,5 °, ako aj dva póly opačných nábojov. Dĺžka O-N pripojenia je 0,95 Á (0,095 nm), vzdialenosť medzi protónmi je 1,54 Á (0,154 nm). Obrázok 1.3 ukazuje elektronický model molekuly vody.

Obr.1.3. Elektronický model molekuly H 2 O.

Osem elektrónov rotuje v pároch v štyroch orbitáloch umiestnených v troch rovinách (uhly 90 o ), ktoré zapadajú do kocky. 1, 2 - osamelé páry elektrónov.

Najdôležitejší dôsledok tejto úvahy: asymetria distribúcie náboja mení molekulu H20 na dipól: protóny sú umiestnené na dvoch kladných koncoch a nezdieľané páry p-elektrónov kyslíka sú umiestnené na dvoch záporných koncoch.

Molekula vody sa teda môže považovať za trojuholníkovú pyramídu - štvorsten, v rohoch ktorého sú umiestnené štyri náboje - dva kladné a dva záporné.

Tieto náboje tvoria svoje bezprostredné prostredie tak, že presne definovaným spôsobom otáčajú susedné molekuly vody - takže medzi dvoma atómami kyslíka je vždy len jeden atóm vodíka. Najjednoduchšie je predstaviť si a študovať takúto medzimolekulovú štruktúru na vode v pevnom skupenstve. Obrázok 1.4 ukazuje štruktúru ľadu.

Ryža. 1.4. Šesťhranná štruktúra ľadu

Štruktúra je držaná pohromade väzbami O-H...O. Takéto spojenie dvoch atómov kyslíka susedných molekúl vody sprostredkované jedným atómom vodíka sa nazýva vodíková väzba.

K vodíkovej väzbe dochádza z nasledujúcich dôvodov:

1 - protón má iba jeden elektrón, takže odpudzovanie elektrónov dvoch atómov je minimálne. Protón sa jednoducho ponorí do elektrónového obalu susedného atómu, čím sa vzdialenosť medzi atómami zníži o 20-30 % (až 1 Á);

2 - susedný atóm musí mať veľkú hodnotu elektronegativity. V konvenčných podmienkach (podľa Paulinga) je elektronegativita F 4,0; 0 - 3,5, N - 3,0, Cl - 3,0, C - 2,5, S - 2,5.

Molekula vody môže mať štyri vodíkové väzby, v dvoch pôsobí ako donor elektrónov, v dvoch ako akceptor elektrónov. A tieto väzby môžu vzniknúť tak so susednými molekulami vody, ako aj s inými látkami.

Takže dipólový moment uhol H-O-H a vodíková väzba О-Н…О určujú jedinečné vlastnosti vody a zohrávajú hlavnú úlohu pri formovaní sveta okolo nás.

Úlohou Mayerovho článku je „ľahký“ rozklad molekúl vody pôsobením elektrického prúdu sprevádzaného elektromagnetickým žiarením.

Aby sme to vyriešili, poďme zistiť, čo je voda? Aká je štruktúra molekúl vody? Čo je známe o molekulách vody a ich väzbách? V článku som použil rôzne publikácie, ktoré sú na internete dostupné v dostatočnom množstve, no sú rozmnožované vo veľkom množstve, takže mi nie je jasné, kto je ich autorom a je z mojej strany hlúposť odkazovať na zdroj. Navyše tieto publikácie sú až hanebné „mätúce“, čo sťažuje ich vnímanie a výrazne predlžuje čas štúdia. Pri analýze článkov som vyťažil niečo, čo vás môže nasmerovať k tomu, aby ste pochopili, s čím sa budeme zaoberať v procese získavania lacnej energie, alebo skôr v procese štiepenia molekúl vody na zložky - vodík a kyslík.

Pozrime sa teda na najvýznamnejšie pojmy o štruktúre molekúl vody!

Voda je látka, ktorej hlavnou štruktúrnou jednotkou je molekula H 2 O, pozostávajúca z jedného atómu kyslíka a dvoch atómov vodíka.

Molekula vody má štruktúru rovnoramenného trojuholníka: v hornej časti tohto trojuholníka je atóm kyslíka a na jeho základni sú dva atómy vodíka. Vrcholový uhol je 104°27 a dĺžka strany je 0,096 nm. Tieto parametre sa vzťahujú na hypotetický rovnovážny stav molekuly vody bez jej oscilácií a rotácií. Geometria molekuly vody a jej elektrónové dráhy sú znázornené na obrázku.

Molekula vody je dipól obsahujúci kladné a záporné náboje na póloch. Ak je „voľná“ molekula vody, ktorá nie je viazaná na iné molekuly, umiestnená do elektrického poľa, potom sa „otočí“ svojimi zápornými pólmi ku kladnej doske elektrického poľa a kladnými pólmi k zápornej doske. Práve tento proces je znázornený na obrázku 1, pozícia - 3B, vysvetľujúci činnosť Mayer Cell v článku „Voda namiesto benzínu“.

Ak spojíte epicentrá kladných a záporných nábojov rovnými čiarami, získate trojrozmerný geometrický obrazec - pravidelný štvorsten. Toto je štruktúra samotnej molekuly vody.

V dôsledku prítomnosti vodíkových väzieb tvorí každá molekula vody vodíkovú väzbu so 4 susednými molekulami a vytvára tak prelamovanú sieťovinu v molekule ľadu. Práve tento usporiadaný stav molekúl vody možno nazvať „štruktúrou“. Každá molekula môže súčasne vytvárať štyri vodíkové väzby s inými molekulami v presne definovaných uhloch rovných 109°28′, nasmerovaných do štvorstenných vrcholov, ktoré neumožňujú vytvorenie hustej štruktúry pri zmrazení.

Keď sa ľad roztopí, jeho tetragonálna štruktúra sa zrúti a vytvorí sa zmes polymérov pozostávajúca z tri-, tetra-, penta- a hexamérov vody a voľných molekúl vody.

V kvapalnom stave je voda neusporiadaná kvapalina. Tieto vodíkové väzby sú spontánne, krátkodobé, rýchlo sa zlomia a znovu sa vytvoria.

Zoskupené štvorsteny molekúl vody tvoria rôzne priestorové a rovinné štruktúry.

A z celej škály štruktúr v prírode je základom šesťuholníková (šesťuholníková) štruktúra, keď je šesť molekúl vody (tetrahedra) spojených do kruhu.

Tento typ štruktúry je charakteristický pre ľad, sneh a roztopenú vodu, ktorá sa v dôsledku prítomnosti takejto štruktúry nazýva "štruktúrovaná voda". Veľa sa píše o prospešných vlastnostiach štruktúrovanej vody, ale to nie je témou nášho článku. Bolo by logické, že štruktúrovaná voda, ktorá tvorí šesťuholníkové štruktúry, je najhoršou verziou vodnej štruktúry, ktorá sa dá použiť na rozklad na vodík a kyslík. Dovoľte mi vysvetliť prečo: Molekuly vody, zoskupené šesť do hexaméru, majú elektricky neutrálne zloženie – hexaméry nemajú kladný a záporný pól. Ak umiestnite štruktúrovaný vodný hexamér do elektrického poľa, nebude naň nijako reagovať. Preto možno logicky usúdiť, že je potrebné, aby bolo vo vode čo najmenej organizovaných štruktúr. V skutočnosti je opak pravdou, hexamér nie je úplná štruktúra, existuje ešte zaujímavejší koncept - zhluk.

Štruktúry spojených molekúl vody sa nazývajú zhluky a jednotlivé molekuly vody sa nazývajú kvantá. Klaster je hromadná zlúčenina molekúl vody vrátane hexamérov, ktorá má kladné aj záporné póly.

V destilovanej vode sú zhluky prakticky elektricky neutrálne, pretože následkom vyparovania sa zhluky zničili a následkom kondenzácie nevznikli pevné väzby medzi molekulami vody. Ich elektrická vodivosť sa však môže zmeniť. Ak sa destilovaná voda mieša magnetickým miešadlom, väzby medzi prvkami zhlukov sa čiastočne obnovia a zmení sa elektrická vodivosť vody. Inými slovami, destilovaná voda je voda, ktorá má minimálny počet väzieb medzi molekulami . V ňom sú dipóly molekúl v zle orientovanom stave, takže dielektrická konštanta destilovanej vody je veľmi vysoká a je to zlý vodič elektrického prúdu. Zároveň sa do nej na zvýšenie kontrolovateľnosti vodných zhlukov pridávajú kyseliny alebo zásady, ktoré zúčastňujúc sa molekulárnych väzieb neumožňujú molekulám vody vytvárať šesťuholníkové štruktúry, čím vznikajú elektrolyty. Destilovaná voda je opakom štruktúrovanej vody, v ktorej je obrovské množstvo väzieb medzi molekulami vody v zhlukoch.

Na mojej stránke sú a budú sa objavovať články, ktoré sú na prvý pohľad „samostatné“ a nemajú nič spoločné s inými článkami. V skutočnosti je väčšina článkov stránky prepojená do jedného celku. V tomto prípade pri popise vlastností destilovanej vody používam Dipólovú teóriu elektrického prúdu, ide o alternatívny koncept elektrického prúdu, ktorý je potvrdený vedou aj praxou lepšie ako klasický koncept.

Pri pôsobení energie zdroja elektrického prúdu sa všetky dipóly atómov vody (ako vodič) otáčajú a orientujú svoje póly rovnakého mena jedným smerom. Ak molekuly vody vytvorili zhlukovú (vzájomne orientovanú) štruktúru pred objavením sa vonkajšieho elektrického poľa, potom je na orientáciu vo vonkajšom elektrickom poli potrebné minimálne množstvo energie zdroja elektrického prúdu. Ak štruktúra nebola organizovaná (ako destilovaná voda), potom veľké množstvo energie.

Všimnite si, že medzi ľuďmi existuje názor, že destilovaná voda a roztopená voda by mali mať rovnaké elektrické vodivé vlastnosti, pretože jedna a druhá neobsahujú chemické nečistoty (zvyčajne soli). chemické zloženie je rovnaká a štruktúra molekúl vody je rovnaká v roztopenej vode a v destilovanej vode.

V skutočnosti všetko vyzerá naopak, absencia nečistôt vôbec nenaznačuje vlastnosti elektrickej vodivosti vody. Niektorí ľudia si to neuvedomujú, ale „zabíjajú“ batérie vo fáze ich naplnenia elektrolytom, nahradenia destilovanej vody roztavenou vodou alebo jednoducho čistenia cez uhlíkový filter. Nabitá batéria zakúpená na automobilovom trhu spravidla vydrží menej ako batéria, ktorú ste si kúpili nabitú a zriedenú. kyselina sírová destilovanú vodu, naplňte ju sami. Je to len preto, že „hotový“ elektrolyt alebo nabitá batéria je dnes prostriedkom na zarábanie peňazí a aby sa zistilo, aká voda bola použitá, je potrebné vykonať nákladné vyšetrenie, s ktorým si nikto neláme hlavu. toto. Pre predajcu nezáleží na tom, ako dlho vydrží batéria na vašom aute, a ani sa vám v skutočnosti nechce motať sa s kyselinou. Uisťujem vás však, že batéria, pri ktorej sa potíte, bude pri mínusových teplotách oveľa veselšia ako batéria naplnená hotovým elektrolytom z fľaše.

Pokračujme!

Vo vode sa zhluky periodicky ničia a znova sa tvoria. Čas skoku je 10-12 sekúnd.

Keďže štruktúra molekuly vody je asymetrická, ťažiská jej kladných a záporných nábojov sa nezhodujú. Molekuly majú dva póly – kladný a záporný, vytvárajúce, podobne ako magnet, molekulárne silové polia. Takéto molekuly sa nazývajú polárne alebo dipóly a kvantitatívna charakteristika polarity je určená elektrickým momentom dipólu, vyjadreným ako súčin vzdialenosti. l medzi elektrickými ťažiskami kladného a záporného náboja molekuly na náboj e v absolútnych elektrostatických jednotkách: p = l e

Pre vodu je dipólový moment veľmi vysoký: p = 6,13·10 -29 C·m.

Vodné zhluky na fázových hraniciach (kvapalina-vzduch) sa zoraďujú v určitom poradí, pričom všetky zhluky oscilujú s rovnakou frekvenciou, pričom získavajú jednu spoločnú frekvenciu. Pri takomto pohybe zhlukov, berúc do úvahy, že molekuly vody obsiahnuté v zhluku sú polárne, to znamená, že majú veľký dipólový moment, by sa mal očakávať výskyt elektromagnetického žiarenia. Toto žiarenie sa líši od žiarenia voľných dipólov, pretože dipóly sú viazané a oscilujú spolu v zhlukovej štruktúre.

Frekvencia oscilácií vodných klastrov, a teda aj frekvencia elektromagnetických oscilácií, sa môže určiť podľa nasledujúceho vzorca:

kde a je povrchové napätie vody pri danej teplote; M
je hmotnosť klastra.

Kde V je veľkosť klastra.

Objem klastra sa určuje s prihliadnutím na rozmery fraktálnej uzavretej štruktúry klastra alebo analogicky s rozmermi proteínovej domény.
Pri izbovej teplote 18°C ​​frekvencia vibrácií klastra f rovná 6,79 10 9 Hz, to znamená, že vlnová dĺžka vo voľnom priestore by mala byť λ = 14,18 mm.

Čo sa však stane, keď bude voda vystavená vonkajšiemu elektromagnetickému žiareniu? Keďže voda je samoorganizovaná štruktúra a obsahuje zoskupené prvky aj voľné molekuly, pri vystavení vonkajšiemu elektromagnetickému žiareniu nastane nasledovné. Keď sa molekuly vody priblížia k sebe (vzdialenosť sa zmení z R 0 na R 1 ), energia interakcie sa zmení o väčšiu hodnotu, ako keď sa od seba vzdialia (vzdialenosť sa zmení z R 0 na R 2 ).

Ale, keďže molekuly vody majú veľký dipólový moment, v prípade vonkajšieho elektromagnetického poľa budú oscilovať (napríklad z R 1 do R 2 ). V tomto prípade v dôsledku vyššie uvedenej závislosti prispeje aplikované elektromagnetické pole viac k príťažlivosti molekúl a tým k organizácii systému ako celku, t.j. vytvorenie šesťuholníkovej štruktúry.

V prítomnosti nečistôt v vodné prostredie, sú pokryté hydrátovým obalom takým spôsobom, že celková energia systému má tendenciu nadobudnúť minimálnu hodnotu. A ak je celkový dipólový moment šesťuholníkovej štruktúry rovný nule, potom v prítomnosti nečistôt je šesťuholníková štruktúra v ich blízkosti narušená takým spôsobom, že systém nadobudne minimálnu hodnotu, v niektorých prípadoch sa šesťuholníky premenia na päťuholníkov a hydratačná škrupina má tvar blízky gule. Nečistoty (napríklad ióny Na +) môžu stabilizovať štruktúru, vďaka čomu je odolnejšia voči deštrukcii.

Samoorganizovaný vodný systém pod vplyvom elektromagnetického žiarenia sa nebude pohybovať ako celok, ale každý prvok šesťuholníka a pri nečistotách lokálne a iného typu aj štruktúra, t.j. dôjde k skresleniu geometrie konštrukcie, t.j. vznikajú napätia. Táto vlastnosť vody je veľmi podobná polymérom. Ale polymérové ​​štruktúry majú veľké časy relaxácia, ktorá nie je 10 -11 -10 -12 s, ale minút alebo viac. Preto energia kvánt elektromagnetického žiarenia, prechádzajúca do vnútornej energie organizovanej vodnej štruktúry v dôsledku jej deformácií, bude ňou akumulovaná, kým nedosiahne energiu vodíkovej väzby, ktorá je 500-1000 krát väčšia ako energia elektromagnetického lúka. Keď sa dosiahne táto hodnota, vodíková väzba sa preruší a štruktúra sa zničí.

Toto sa dá prirovnať k snehová lavína kedy dochádza k postupnému pomalému hromadeniu hmoty a následne k rýchlemu kolapsu. V prípade vody sa preruší nielen slabá väzba medzi klastrami, ale aj silnejšie väzby — v štruktúre molekúl vody. V dôsledku tejto medzery môže vzniknúť H +, OH - a hydratovaný elektrón e -. Modrá farba čistej vody je spôsobená prítomnosťou týchto elektrónov a nie len rozptylom prirodzeného svetla.

Záver

Pri vystavení elektromagnetickému žiareniu s vodou sa teda v štruktúre klastra akumuluje energia až do určitej kritickej hodnoty, potom sa medzi zhlukmi a inými zhlukmi prerušia väzby, dôjde k lavínovému uvoľneniu energie, ktorá sa potom môže premeniť na inú. typy.