Su moleküllerinin yapısı, bağları ve özellikleri. Dış fiziksel etkilerin su molekülleri üzerindeki etkisi? Su: bileşimi, moleküler yapısı, fiziksel özellikleri
Doktora O.V. mossin
Su molekülü, kutuplarda pozitif ve negatif yükler içeren küçük bir dipoldür. Oksijen çekirdeğinin kütlesi ve yükü hidrojen çekirdeğininkinden daha büyük olduğu için elektron bulutu oksijen çekirdeğine doğru büzülür. Bu durumda, hidrojen çekirdekleri “çıplak”. Böylece elektron bulutu homojen olmayan bir yoğunluğa sahiptir. Hidrojen çekirdeklerinin yakınında elektron yoğunluğu eksikliği vardır ve molekülün karşı tarafında, oksijen çekirdeğinin yanında fazla elektron yoğunluğu vardır. Su molekülünün polaritesini belirleyen bu yapıdır. Pozitif ve negatif yüklerin merkez merkezlerini düz çizgilerle birleştirirseniz, bir hacim elde edersiniz. geometrik şekil düzenli bir tetrahedrondur.
Su molekülünün yapısı (sağdaki şekil)
Hidrojen bağlarının varlığı nedeniyle, her su molekülü, 4 komşu molekülle bir hidrojen bağı oluşturarak bir buz molekülünde bir açık ağ örgü çerçevesi oluşturur. Ancak sıvı haldeyken su düzensiz bir sıvıdır; bu hidrojen bağları kendiliğindendir, kısa ömürlüdür, hızla kırılır ve yeniden oluşur. Bütün bunlar suyun yapısında heterojenliğe yol açar.
Su molekülleri arasındaki hidrojen bağları (soldaki aşağıdaki resim)
Suyun heterojen bir yapıya sahip olduğu gerçeği uzun zaman önce ortaya konmuştur. Buzun su yüzeyinde yüzdüğü, yani kristal buzun yoğunluğunun bir sıvının yoğunluğundan daha az olduğu uzun zamandır bilinmektedir.
Hemen hemen tüm diğer maddelerde kristal, sıvı fazdan daha yoğundur. Ayrıca, erimeden sonra bile sıcaklık arttıkça suyun yoğunluğu artmaya devam eder ve 4°C'de maksimuma ulaşır. Daha az bilinen, suyun sıkıştırılabilirliğindeki anormalliktir: erime noktasından 40°C'ye kadar ısıtıldığında azalır ve sonra artar. Suyun ısı kapasitesi de monoton olmayan bir şekilde sıcaklığa bağlıdır.
Ek olarak, 30°C'nin altındaki sıcaklıklarda, atmosferik basınçtan 0,2 GPa'ya bir artışla, suyun viskozitesi azalır ve kendi kendine difüzyon katsayısı - su moleküllerinin birbirine göre hareket hızını belirleyen bir parametre - artışlar.
Diğer sıvılar için, bağımlılık terstir ve bazı önemli parametrelerin monoton olmayan şekilde davranması neredeyse hiç gerçekleşmez, yani. önce arttı ve kritik değeri geçtikten sonra sıcaklık veya basınç azaldı. Aslında suyun tek bir sıvı olmadığı, yoğunluk ve viskozite gibi özelliklerde ve dolayısıyla yapı bakımından farklılık gösteren iki bileşenin bir karışımı olduğu varsayımı vardı. Bu tür fikirler, su anomalileri hakkında birçok verinin biriktiği 19. yüzyılın sonunda ortaya çıkmaya başladı.
Suyun iki bileşenden oluştuğu fikri ilk olarak 1884 yılında Whiting tarafından ortaya atılmıştır. Yazarlığı E.F. Fritsman monografisinde “Suyun doğası. Ağır Su”, 1935'te yayınlandı. 1891'de W. Rengten, yoğunluğu farklı olan iki su durumu kavramını tanıttı. Ondan sonra, suyun farklı bileşimlerin (“hidrol”) ortaklarının bir karışımı olarak kabul edildiği birçok eser ortaya çıktı.
1920'lerde buzun yapısı belirlendiğinde, kristal haldeki su moleküllerinin, her molekülün düzenli bir tetrahedronun köşelerinde bulunan en yakın dört komşuya sahip olduğu üç boyutlu sürekli bir ızgara oluşturduğu ortaya çıktı. 1933'te J. Bernal ve P. Fowler, sıvı suda da benzer bir ağın bulunduğunu öne sürdüler. Su buzdan daha yoğun olduğu için, içindeki moleküllerin buzdaki gibi değil, yani mineral tridimitteki silikon atomları gibi, ancak silika - kuvarsın daha yoğun bir modifikasyonunda silikon atomları gibi yerleştirildiğine inanıyorlardı. 0'dan 4°C'ye ısıtıldığında su yoğunluğundaki artış, düşük sıcaklıklarda bir tridimit bileşeninin varlığı ile açıklanmıştır. Böylece, Bernal-Fowler modeli iki yapı unsurunu korudu, ancak asıl başarıları sürekli bir dörtyüzlü ağ fikridir. Sonra I. Langmuir'in ünlü özdeyişi ortaya çıktı: "Okyanus büyük bir moleküldür." Modelin aşırı somutlaştırılması, birleşik ızgara teorisinin destekçilerini eklemedi.
Sadece 1951'de J. Popl, Bernal-Fowler modeli kadar spesifik olmayan sürekli bir ızgara modeli yarattı. Popl, suyu, moleküller arasındaki bağların eğri ve farklı uzunluklara sahip olduğu rastgele bir tetrahedral ağ olarak hayal etti. Popl'un modeli, bağların bükülmesiyle erime sırasında suyun yoğunlaşmasını açıklar. Buz II ve IX'un yapısının ilk tanımları 1960'larda ve 1970'lerde ortaya çıktığında, bağların bükülmesinin yapı sıkışmasına nasıl yol açabileceği netleşti. Pople'un modeli, su özelliklerinin sıcaklık ve basınca bağımlılığının monoton olmadığını ve iki durumlu modelleri açıklayamadı. Bu nedenle iki devlet fikri uzun bir süre birçok bilim insanı tarafından paylaşıldı.
Ancak 20. yüzyılın ikinci yarısında, "hidrollerin" bileşimi ve yapısı hakkında yüzyılın başında olduğu kadar hayal kurmak imkansızdı. Buz ve kristal hidratların nasıl düzenlendiği zaten biliniyordu ve hidrojen bağı hakkında çok şey biliyorlardı. “Süreklilik” modellerine (Pople modeli) ek olarak, iki grup “karma” model ortaya çıktı: küme ve klatrat. İlk grupta su, bu tür bağlara katılmayan bir molekül denizinde yüzen hidrojen bağlarıyla bağlanmış molekül kümeleri olarak ortaya çıktı. İkinci grubun modelleri, suyu, boşluklar içeren sürekli bir hidrojen bağları ağı (bu bağlamda genellikle çerçeve olarak adlandırılır) olarak kabul eder; çerçevenin molekülleri ile bağ oluşturmayan moleküller içerirler. Ünlü anomaliler de dahil olmak üzere suyun tüm özelliklerini açıklamak için, küme modellerinin iki mikrofazının bu tür özelliklerini ve konsantrasyonlarını veya çerçevenin özelliklerini ve klatrat modellerindeki boşluklarının doldurma derecesini seçmek zor değildi.
Küme modelleri arasında en çarpıcı olanı G. Nemethy ve H. Sheragi'nin modeli olmuştur.: bağlanmamış moleküllerden oluşan bir denizde yüzen bağlı molekül kümelerini gösteren resimleri birçok monografiye dahil edilmiştir.
Klatrat tipinin ilk modeli 1946 yılında O.Ya tarafından önerilmiştir. Samoilov: Altıgen buza benzer bir hidrojen bağları ağı, boşlukları kısmen monomerik moleküllerle doldurulmuş suda korunur. 1959'da L. Pauling, bazı kristalli hidratlarda bulunan bağ ağının yapının temeli olarak hizmet edebileceğini öne sürerek başka bir versiyon yarattı.
1960'ların ikinci yarısında ve 1970'lerin başında, tüm bu görüşlerin birleştiği gözlemlendi. Her iki mikrofazdaki moleküllerin hidrojen bağlarıyla bağlandığı küme modellerinin çeşitleri ortaya çıktı. Klatrat modellerinin destekçileri, boşluk ve çerçeve molekülleri arasında hidrojen bağlarının oluşmasına izin vermeye başladı. Yani, aslında, bu modellerin yazarları suyu sürekli bir hidrojen bağları ağı olarak görüyorlar. Ve bu ızgaranın ne kadar homojen olmadığından (örneğin yoğunlukta) bahsediyoruz. Suyun, bağlardan yoksun bir su molekülleri denizinde yüzen hidrojen bağlı kümeler olduğu fikri, seksenlerin başında, G. Stanley'nin su modeline sızma teorisini uyguladığı zaman sona erdi. su geçişleri
1999'da ünlü Rus su araştırmacısı S.V. Zenin, Rusya Bilimler Akademisi Biyomedikal Sorunlar Enstitüsü'nde küme teorisi üzerine doktora tezini savundu ve bu araştırma alanının tanıtımında önemli bir adımdı; üç bilimin kesişimi: fizik, kimya ve biyoloji. Üç fizikokimyasal yöntemle elde edilen verilere dayanarak: refraktometri (S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, 1994), yüksek performanslı sıvı kromatografisi (S.V. Zenin ve diğerleri, 1998) ve proton manyetik rezonans (C.V. Zenin, 1993) geometrik su moleküllerinin (yapılandırılmış su) ana kararlı yapısal oluşumunun modeli oluşturulmuş ve kanıtlanmıştır ve daha sonra (SV Zenin, 2004) bu yapıların bir faz kontrast mikroskobu kullanılarak bir görüntü elde edilmiştir.
Artık bilim, suyun fiziksel özelliklerinin özelliklerinin ve bir su molekülündeki komşu hidrojen ve oksijen atomları arasındaki çok sayıda kısa ömürlü hidrojen bağlarının, bir su molekülünü algılayan, depolayan ve ileten özel ortak yapıların (kümeler) oluşumu için elverişli fırsatlar yarattığını kanıtlamıştır. çok çeşitli bilgiler.
Bu tür suyun yapısal birimi, doğası uzun menzilli Coulomb kuvvetleri tarafından belirlenen klatratlardan oluşan bir kümedir. Kümelerin yapısı, bu su molekülleri ile gerçekleşen etkileşimler hakkındaki bilgileri kodlar. Su kümelerinde, oksijen atomları ve hidrojen atomları arasındaki kovalent ve hidrojen bağları arasındaki etkileşim nedeniyle, röle mekanizmasına göre proton göçü (H+) meydana gelebilir ve küme içinde proton delokalizasyonuna yol açabilir.
Çeşitli türlerde birçok kümeden oluşan su, büyük miktarda bilgiyi algılayabilen ve depolayabilen hiyerarşik bir uzaysal sıvı kristal yapı oluşturur.
Şekil (V.L. Voeikov), örnek olarak birkaç basit küme yapısının diyagramlarını göstermektedir.
Su kümelerinin bazı olası yapıları
Bilgi taşıyıcıları, çeşitli nitelikteki fiziksel alanlar olabilir. Böylece, elektromanyetik, akustik ve diğer alanların yardımıyla suyun sıvı kristal yapısının çeşitli doğadaki nesnelerle uzaktan bilgi etkileşimi olasılığı kuruldu. Bir kişi aynı zamanda etkileyici bir nesne olabilir.
Su, ultra zayıf ve zayıf alternatif elektromanyetik radyasyon kaynağıdır. En az kaotik elektromanyetik radyasyon, yapılandırılmış su tarafından oluşturulur. Bu durumda, biyolojik nesnelerin yapısal ve bilgi özelliklerini değiştiren ilgili elektromanyetik alanın indüksiyonu meydana gelebilir.
Son yıllarda aşırı soğutulmuş suyun özellikleri hakkında önemli veriler elde edilmiştir. Suyu düşük sıcaklıkta incelemek çok ilginç çünkü diğer sıvılardan daha fazla aşırı soğutulabilir. Suyun kristalleşmesi, kural olarak, bazı homojensizliklerde başlar - ya geminin duvarlarında ya da katı safsızlıkların yüzen parçacıklarında. Bu nedenle, aşırı soğutulmuş suyun kendiliğinden kristalleşeceği sıcaklığı bulmak kolay değildir. Ancak bilim adamları bunu yapmayı başardılar ve şimdi, buz kristallerinin oluşumu hacim boyunca aynı anda meydana geldiğinde, homojen çekirdeklenme denilen sıcaklığın, 0,3 GPa'ya kadar olan basınçlarla, yani buzun varlık bölgelerini yakalamasıyla biliniyor. II.
Atmosfer basıncından I ve II buzlarını ayıran sınıra kadar, bu sıcaklık 231'den 180 K'ye düşer ve sonra hafifçe 190 K'ye yükselir. Bu kritik sıcaklığın altında sıvı su prensipte imkansızdır.
Buzun yapısı (sağdaki resim)
Ancak, bu sıcaklıkla ilgili bir gizem var. Seksenlerin ortalarında, amorf buzun yeni bir modifikasyonu keşfedildi - yüksek yoğunluklu buz ve bu, iki durumun bir karışımı olarak su fikrini canlandırmaya yardımcı oldu. Prototip olarak, kristal yapılar değil, farklı yoğunluklardaki amorf buzların yapıları düşünüldü. En anlaşılır biçimde, bu kavram E.G. Poniatovsky ve V.V. 1999'da yazan Sinitsin: "Su, amorf buzun kısa menzilli değişiklik sırasına karşılık gelen yerel konfigürasyonlar olan iki bileşenin düzenli bir çözümü olarak kabul edilir." Ayrıca bilim adamları, nötron kırınım yöntemlerini kullanarak yüksek basınçta aşırı soğutulmuş suda kısa mesafe düzenini inceleyerek bu yapılara karşılık gelen bileşenleri bulabildiler.
Amorf buzların polimorfizminin bir sonucu olarak, hipotetik düşük sıcaklık kritik noktasının altındaki bir sıcaklıkta suyun iki karışmaz bileşen halinde tabakalaşmasıyla ilgili varsayımlar da vardı. Ne yazık ki araştırmacılara göre 0.017 GPa basınçta bu sıcaklık 230 K yani çekirdeklenme sıcaklığının altında olduğu için sıvı suyun ayrılmasını henüz kimse gözlemleyemedi. Böylece, iki durumlu modelin yeniden canlanması, sıvı sudaki hidrojen bağları ağının homojen olmadığı sorusunu gündeme getirdi. Bu heterojenlik ancak bilgisayar simülasyonları yardımıyla anlaşılabilir.
Suyun kristal yapısından bahsederken belirtmek gerekir ki 14 buz modifikasyonları, çoğu doğada bulunmaz, su molekülleri hem bireyselliklerini korur hem de hidrojen bağlarıyla bağlanır. Öte yandan, klatrat hidratlarda hidrojen bağı ağının birçok çeşidi vardır. Bu ağların enerjileri (yüksek basınçlı buzlar ve klatrat hidratlar), kübik ve altıgen buzların enerjilerinden çok daha yüksek değildir. Bu nedenle, bu tür yapıların parçaları sıvı suda da görünebilir. Sayısız farklı periyodik olmayan parça tasarlamak mümkündür, moleküller yaklaşık olarak tetrahedronun köşeleri boyunca yer alan en yakın dört komşuya sahiptir, ancak yapıları bilinen buz modifikasyonlarının yapılarına karşılık gelmez. Çok sayıda hesaplama, bu tür fragmanlardaki moleküllerin etkileşim enerjilerinin birbirine yakın olacağını göstermiştir ve sıvı suda bazı yapıların baskın olması gerektiğini söylemek için hiçbir neden yoktur.
Suyun yapısal etütleri çeşitli yöntemlerle incelenebilir; proton manyetik rezonans spektroskopisi, kızılötesi spektroskopisi, X-ışını kırınımı vb. Örneğin, suda X-ışını ve nötron kırınımı birçok kez incelenmiştir. Ancak bu deneyler yapı hakkında ayrıntılı bilgi vermemektedir. Küçük açılı X-ışınlarından ve nötron saçılmasından, yoğunluk bakımından farklılık gösteren homojen olmayanlar görülebilir, ancak bu tür homojen olmayanlar, yüzlerce su molekülünden oluşan büyük olmalıdır. Onları görmek ve ışığın saçılımını araştırmak mümkün olacaktı. Bununla birlikte, su son derece berrak bir sıvıdır. Kırınım deneylerinin tek sonucu radyal dağılım fonksiyonları yani oksijen, hidrojen ve oksijen-hidrojen atomları arasındaki mesafelerdir. Su moleküllerinin dizilişinde uzun menzilli bir düzen olmadığı onlardan görülebilir. Bu işlevler su için diğer sıvıların çoğundan çok daha hızlı bozunur. Örneğin, oda sıcaklığına yakın bir sıcaklıkta oksijen atomları arasındaki mesafelerin dağılımı, 2,8, 4,5 ve 6,7 A'da yalnızca üç maksimum verir. İlk maksimum, en yakın komşulara olan mesafeye karşılık gelir ve değeri yaklaşık olarak hidrojen bağının uzunluğuna eşittir. İkinci maksimum, tetrahedronun kenarının ortalama uzunluğuna yakındır - altıgen buzdaki su moleküllerinin, merkezi molekül etrafında çevrelenmiş tetrahedronun köşelerinde bulunduğunu unutmayın. Ve çok zayıf bir şekilde ifade edilen üçüncü maksimum, hidrojen ızgarasındaki üçüncü ve daha uzak komşulara olan mesafeye karşılık gelir. Bu maksimumun kendisi çok parlak değil ve daha fazla zirve hakkında konuşmaya gerek yok. Bu dağılımlardan daha detaylı bilgiler elde edilmeye çalışılmıştır. Yani 1969'da I.S. Andrianov ve I.Z. Fisher sekizinci komşuya kadar olan mesafeleri buldu, beşinci komşuya 3 Å ve altıncı komşuya 3.1 Å olduğu ortaya çıktı. Bu, su moleküllerinin uzak ortamı hakkında veri yapılmasına izin verir.
Yapıyı incelemek için başka bir yöntem - su kristalleri üzerindeki nötron kırınımı, X-ışını kırınımı ile tamamen aynı şekilde gerçekleştirilir. Ancak nötron saçılma uzunluklarının farklı atomlar için çok farklı olmaması nedeniyle izomorfik ikame yöntemi kabul edilemez hale gelmektedir. Uygulamada, genellikle moleküler yapısı diğer yöntemlerle yaklaşık olarak belirlenmiş bir kristalle çalışılır. Daha sonra bu kristal için nötron kırınım yoğunlukları ölçülür. Bu sonuçlara dayanarak, ölçülen nötron yoğunluklarının ve fazlarının kullanıldığı, hidrojen olmayan atomlar, yani. yapı modelindeki konumu bilinen oksijen atomları. Daha sonra bu şekilde elde edilen Fourier haritasında hidrojen ve döteryum atomları çok fazla temsil edilmektedir. büyük ağırlıklar elektron yoğunluk haritasından daha fazla, çünkü bu atomların nötron saçılmasına katkısı çok büyüktür. Bu yoğunluk haritasından örneğin hidrojen atomlarının (negatif yoğunluk) ve döteryum atomlarının (pozitif yoğunluk) konumları belirlenebilir.
Suda oluşan kristalin ölçümlerden önce ağır suda tutulması gerçeğinden oluşan bu yöntemin bir varyasyonu mümkündür. Bu durumda, nötron kırınımı yalnızca hidrojen atomlarının nerede bulunduğunu belirlemeyi mümkün kılmakla kalmaz, aynı zamanda izotop (H-D) değişimi çalışmasında özellikle önemli olan döteryum için değiştirilebilecekleri de ortaya çıkarır. Bu tür bilgiler, yapının kurulmasının doğruluğunu teyit etmeye yardımcı olur.
Diğer yöntemler de su moleküllerinin dinamiklerini incelemeyi mümkün kılar. Bunlar yarı elastik nötron saçılması, ultra hızlı IR spektroskopisi ve NMR veya etiketli döteryum atomları kullanılarak su difüzyonu çalışması üzerine deneylerdir. NMR spektroskopisi yöntemi, bir hidrojen atomunun çekirdeğinin manyetik bir momente sahip olduğu gerçeğine dayanır - manyetik alanlarla etkileşime giren, sabit ve değişken bir dönüş. NMR spektrumundan, bu atomların ve çekirdeklerin bulunduğu ortamı yargılayabilir, böylece molekülün yapısı hakkında bilgi edinilebilir.
Nötronların su kristallerinde yarı elastik saçılması üzerine yapılan deneyler sonucunda en önemli parametre olan self difüzyon katsayısı çeşitli basınç ve sıcaklıklarda ölçülmüştür. Nötronların yarı elastik saçılımından kendi kendine yayılma katsayısını yargılamak için moleküler hareketin doğası hakkında bir varsayımda bulunmak gerekir. Ya.I.'ye göre hareket ederlerse. Frenkel (tanınmış bir yerli teorik fizikçi, birçok dile çevrilmiş klasik bir kitap olan Kinetic Theory of Liquids'in yazarı), aynı zamanda atlama-bekleme modeli olarak da adlandırılır, daha sonra “yerleşik” bir yaşam zamanı (sıçramalar arasındaki süre) bir molekülün 3.2 pikosaniyesidir. Femtosaniye lazer spektroskopisinin en son yöntemleri, kırılmış bir hidrojen bağının ömrünü tahmin etmeyi mümkün kılmıştır: Bir protonun bir eş bulması 200 fs sürer. Ancak bunların hepsi ortalama değerlerdir. Su moleküllerinin hareketinin yapısının ve doğasının ayrıntılarını incelemek, yalnızca bazen sayısal deney olarak adlandırılan bilgisayar simülasyonunun yardımıyla mümkündür.
Bilgisayar simülasyonu sonuçlarına göre suyun yapısı böyle görünüyor (Kimya Bilimleri Doktoru G. G. Malenkov'un verilerine göre). Genel düzensiz yapı, yapılarında, örneğin Voronoi polihedronunun (a) hacminde, en yakın ortamın tetrahedrallik derecesinde farklılık gösteren iki tür bölgeye (koyu ve açık toplarla gösterilir) ayrılabilir. b), potansiyel enerjinin değeri (c) ve ayrıca her molekülde (d) dört hidrojen bağı varlığında. Ancak, bu alanlar kelimenin tam anlamıyla bir anda, birkaç pikosaniye sonra konumlarını değiştirecektir.
Simülasyon bu şekilde yapılır. Buzun yapısı alınır ve eriyene kadar ısıtılır. Ardından, suyun kristalin kökenini "unutması" için bir süre sonra, anlık mikrograflar alınır.
Suyun yapısını analiz etmek için üç parametre seçilir:
- molekülün yerel ortamının düzenli tetrahedronun köşelerinden sapma derecesi;
-moleküllerin potansiyel enerjisi;
sözde Voronoi polihedronunun hacmidir.
Bu polihedronu oluşturmak için, verilen molekülden en yakın olana bir kenar alınır, ikiye bölünür ve bu noktadan kenara dik bir düzlem çizilir. Bu, molekül başına hacimdir. Bir polihedronun hacmi yoğunluktur, tetrahedrallik hidrojen bağlarının bozulma derecesidir, enerji ise moleküllerin konfigürasyonunun stabilite derecesidir. Bu parametrelerin her birinin yakın değerlerine sahip moleküller, birlikte ayrı kümeler halinde gruplanma eğilimindedir. Hem düşük hem de yüksek yoğunluklu bölgeler, farklı değerler enerji, ancak aynı değerlere sahip olabilir. Deneyler, farklı yapılara, kümelere sahip bölgelerin kendiliğinden ortaya çıktığını ve kendiliğinden bozulduğunu göstermiştir. Suyun tüm yapısı yaşar ve sürekli değişir ve bu değişikliklerin meydana gelme süresi çok küçüktür. Araştırmacılar moleküllerin hareketlerini takip ettiler ve yaklaşık 0,5 ps frekans ve 1 angstrom genlik ile düzensiz salınımlar yaptıklarını keşfettiler. Son pikosaniye olan angstromlarda nadir görülen yavaş sıçramalar da gözlendi. Genel olarak, 30 ps'de bir molekül 8-10 angstrom hareket edebilir. Yerel ortamın ömrü de küçüktür. Voronoi polihedronunun hacminin yakın değerlerine sahip moleküllerden oluşan bölgeler 0,5 ps'de bozunabilir ve birkaç pikosaniye yaşayabilir. Ancak hidrojen bağlarının ömürlerinin dağılımı çok geniştir. Ancak bu sefer 40 ps'yi geçmez ve ortalama değer birkaç ps'dir.
Sonuç olarak, vurgulanmalıdır ki Suyun küme yapısı teorisinin birçok tuzakları vardır.Örneğin, Zenin, suyun ana yapısal öğesinin, dört dodekahedronun füzyonuyla oluşan 57 molekülden oluşan bir küme olduğunu öne sürer. Ortak yüzleri vardır ve merkezleri düzenli bir tetrahedron oluşturur. Su moleküllerinin beşgen bir dodekahedronun köşelerinde yer alabildiği uzun zamandır bilinmektedir; böyle bir dodecahedron, gaz hidratların temelidir. Bu nedenle, belirli bir yapının baskın olamayacağı ve uzun süredir var olamayacağı daha önce söylenmiş olsa da, bu tür yapıların suda var olduğu varsayımında şaşırtıcı bir şey yoktur. Bu nedenle, bu elementin ana element olarak kabul edilmesi ve tam olarak 57 molekülün içine girmesi gariptir. Örneğin, birbirine bitişik oniki yüzlülerden oluşan ve 200 molekül içeren aynı yapıları toplardan bir araya getirmek mümkündür. Zenin ise suyun üç boyutlu polimerizasyon sürecinin 57 molekülde durduğunu iddia ediyor. Daha büyük ortaklar, onun görüşüne göre olmamalıdır. Ancak böyle olsaydı, hidrojen bağlarıyla birbirine bağlanmış çok sayıda molekül içeren altıgen buz kristalleri su buharından çökemezdi. Zenin kümesinin büyümesinin neden 57 molekülde durduğu tamamen belirsizdir. Çelişkilerden kaçınmak için, Zenin ayrıca kümeleri, neredeyse bin molekülden oluşan daha karmaşık oluşumlar - eşkenar dörtgenler - halinde paketler ve ilk kümeler, birbirleriyle hidrojen bağları oluşturmaz. Niye ya? Yüzeylerindeki moleküller içlerindekilerden nasıl farklıdır? Zenin'e göre, eşkenar dörtgenlerin yüzeyindeki hidroksil gruplarının modeli, suyun hafızasını sağlar. Sonuç olarak, bu büyük komplekslerdeki su molekülleri katı bir şekilde sabitlenmiştir ve komplekslerin kendileri katıdır. Bu su akmaz ve moleküler ağırlıkla ilgili erime noktası oldukça yüksek olmalıdır.
Zenin modeli suyun hangi özelliklerini açıklar? Model tetrahedral yapılara dayandığından, X-ışını ve nötron kırınım verileriyle aşağı yukarı tutarlı olabilir. Bununla birlikte, modelin erime sırasında yoğunluktaki düşüşü açıklama olasılığı düşüktür - dodekahedronların paketlenmesi buzdan daha az yoğundur. Ancak dinamik özelliklere sahip bir modelle anlaşmak en zordur - akışkanlık, kendi kendine yayılma katsayısının büyük bir değeri, kısa korelasyon ve pikosaniye cinsinden ölçülen dielektrik gevşeme süreleri.
Doktora O.V. mossin
Referanslar:
İYİ OYUN. Malenkov. Fiziksel Kimyadaki Gelişmeler, 2001
S.V. Zenin, B.M. Polanuer, B.V. Tyaglov. Su fraksiyonlarının varlığının deneysel kanıtı. G. Homeopatik tıp ve akupunktur. 1997. No. 2. S. 42-46.
S.V. Zenin, B.V. Tyaglov. Su moleküllerinin ortaklarının yapısının hidrofobik modeli. Zh.Phys.chemistry.1994.T.68.No.4.S.636-641.
S.V. Zenin Suyun yapısının proton manyetik rezonans yöntemiyle incelenmesi. Dokl.RAN.1993.T.332.No.3.S.328-329.
S.V.Zenin, B.V.Tyaglov. Hidrofobik etkileşimin doğası. Sulu çözeltilerde oryantasyon alanlarının oluşumu. J.Phys.chemistry.1994.T.68.No.3.S.500-503.
S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, G.B. Sergeev, Z.A. Shabarova. NMR ile nükleotid amidlerdeki molekül içi etkileşimlerin incelenmesi. 2. Tüm Birlik Konf. dinamik olarak Stereokimya. Odessa.1975.p.53.
S.V. Zenin. Canlı sistemlerin davranış ve güvenliğini yönetmenin temeli olarak yapılandırılmış su durumu. Tez. Biyolojik Bilimler Doktoru. Devlet Bilim Merkezi "Biyomedikal Sorunlar Enstitüsü" (SSC "IMBP"). 1999. 05. 27. UDC 577.32:57.089.001.66.207 s.
VE. Slesarev. Araştırma ilerleme raporu
Suçlu - inorganik madde Molekülleri iki hidrojen atomu ve bir oksijen atomundan oluşan. Farklı organizmalarda su miktarı aynı değildir. Suyun çoğu vücut denizanası (%95-98), algler (%80'den fazla), en azı böceklerde (%40-50), liken thallus (%5-7) içerir. Memelilerin vücudunda, ortalama olarak, insanlar dahil olmak üzere suyun% 75'i - vücut ağırlığının% 60-65'i. Aynı organizmanın farklı doku ve organlarında su miktarı aynı değildir. Örneğin insanlarda doku ve organlardaki su içeriği şu şekildedir: kan (%83,0), böbrekler (%82,7), kalp (%79,2), akciğerler (%79,0), kaslar (%75 6) , beyin ( %74,8, deri (%72,0), iskelet (%22,0), yağ dokusu (%10,0).
Suyun çoğu (hacmin %70'i) vücudun hücrelerinde serbest ve bağlı haldedir, daha küçük bir kısmı (hacmin %30'u) vücudun hücre dışı boşluğunda hareket eder ve serbest haldedir. bağlı su(%4 5) ozmotik olarak bağlıdır (iyonlarla ve düşük moleküler ağırlıklı bileşiklerle bağlarda su), kolloidal olarak bağlıdır (yüksek moleküler ağırlıklı bileşiklerin hem iç hem de yüzey kimyasal gruplarıyla bağlarda su) ve yapısal olarak bağlıdır (kapalı bir alanda su). karmaşık yapıya sahip yüksek moleküler ağırlıklı biyopolimerler). bedava su(%95-96) evrensel bir çözücüdür.
suyun değeri . Kantitatif olarak su, herhangi bir hücrenin kimyasal bileşikleri arasında ilk sırada yer alır. Suyun varlığı, organizmaların yaşamı için bir ön koşuldur. Dünyadaki bu en yaygın madde biyosistemlerde hangi işlevleri yerine getiriyor?
Su evrensel çözücüdür iyonik ve birçok kovalent bileşikler için kimyasal reaksiyonların akışını, maddelerin hücre içine ve dışına taşınmasını sağlar.
Suçlu - reaktif hücrelerde hidroliz ve hidrasyon reaksiyonlarının, redoks ve asit-baz reaksiyonlarının meydana geldiği katılımıyla.
Suçlu - ısı düzenleyici, organizmaların optimal termal rejimini korur ve canlı sistemlerde ısının eşit dağılımını sağlar.
Suçlu - ozmoregülatör, Hücrelerin şeklini sağlayan taşıma değil organik madde.
Suçlu - destek, elastik bir hücre durumu (turgor) sağlar, vücut üzerindeki mekanik etkilerden amortisör görevi görür, birçok hayvanda bir hidro-iskelet işlevini yerine getirir.
Suçlu - ulaşım aracı, hücrelerde, hücrelerde, dokularda, organlarda iletişimi gerçekleştirir ve vücudun bir bütün olarak homeostazisini ve işleyişini sağlar.
Suçlu - yetişme ortamı suda yaşayan organizmalar için pasif hareket, dış döllenme, tohumların dağılması, gametler ve karasal organizmaların larva aşamaları içinde gerçekleştirilir.
Suçlu - konformer, biyopolimerlerin mekansal yapısının (konformasyon) organizasyonunda büyük önem taşımaktadır.
Su özellikleri. Suyun biyosistemlerdeki rolü, fizikokimyasal özellikleri ile belirlenir.
■ Berrak su şeffaflık, tat, renk ve koku eksikliği ile karakterizedir. Doğal su her zaman çeşitli safsızlıklar içerir: iyon şeklinde çözünmüş maddeler, süspansiyon şeklinde çözünmemiş maddeler. Su, aynı anda ve büyük miktarlarda sıvı, katı ve gaz halinde bulunan Dünya'daki tek maddedir.
■ 4°C'de suyun yoğunluğu maksimumdur ve 1g/cm3'tür. Sıcaklık azaldıkça yoğunluk azalır, bu nedenle buz suyun yüzeyinde yüzer.
■ Su anormal derecede yüksek özgül ısıya (4.17 J / GC), buharlaşma ısısına (100 °C - 2253 J / g'de), erime ısısına (0 °C - 333.98 J / g'de) sahiptir.
■ Moleküller arasında hidrojen bağlarının oluşumuyla bağlantılı güçlü kohezyon (kohezyon) kuvvetleri nedeniyle suyun olağanüstü yüksek bir yüzey gerilimi vardır.
■ Su için karakteristik özellik yerçekimi kuvvetlerine karşı kaldırılması durumunda kendini gösteren yapışma (yapışma).
■ Sıvı haldeki su, fenomene neden olan, akışkanlık, sıkışmayan özelliği ile karakterize edilir. ozmoz Ve turgor.
■ Su amfoterik özelliklere sahiptir, yani hem asit hem de baz özelliklerini sergiler ve asit-baz reaksiyonlarına katılır.
■ Su, metabolizmanın biyolojik olarak önemli redoks reaksiyonlarını gerçekleştirerek hem indirgeyici ajan hem de oksitleyici ajan olarak hareket edebilir.
■ Su molekülleri polardır, bu nedenle hidrasyon reaksiyonlarına katılarak birçok kimyasal bileşiğin çözünmesini sağlar.
■ Biyolojik olarak önemli ayrışma reaksiyonlarında - reaksiyonlarda su yer alır hidroliz.
■ Su molekülleri iyonlara ayrışabilir: H2O = H + + OH.
Su moleküllerinin yapısının özellikleri. Benzersiz özellikler Su, moleküllerinin yapısı tarafından belirlenir.
Bir su molekülünde, her hidrojen atomu bir oksijen atomu üzerinde bulunur. kovalent bağ, enerjisi yaklaşık 110 kcal/mol olan. Bu nedenle su çok kararlı bir kimyasal bileşiktir. 1000°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda su buharı O ve H'ye ayrışmaya başlar.
Bir su molekülünde, dört elektron çiftinden ikisi bir kovalent bağla oluşturulur ve iki pozitif yüklü kutup oluşumuyla molekülün bir tarafına kaydırılır. Ve diğer iki çift bölünmeden kalır ve oksijen atomunun çekirdeğine göre zıt tarafa kaydırılır, burada iki negatif yüklü kutup oluştururlar.
Yani su molekülleri polardır.
Polarite nedeniyle, komşu su molekülleri birbirleriyle ve polar madde molekülleri oluşturmak için etkileşime girebilir. hidrojen bağları, benzersiz neden fiziksel özellikler ve suyun biyolojik fonksiyonları. Bu bağın enerjisi, bir kovalent bağın enerjisiyle karşılaştırıldığında küçüktür. Sadece 4,5 kcal/mol'dür ve termal hareket sayesinde su molekülleri arasında bu bağlar sürekli olarak oluşmakta ve kopmaktadır. Hidrojen bağları - bunlar, yüksek elektronegatiflik değerine sahip kovalent olarak bağlı iki atom arasındaki bağlardır. (Oh, N, F) hidrojen atomu H aracılığıyla. Genellikle, bir hidrojen bağı üç nokta ile gösterilir ve bu , onun çok daha zayıf olduğunu ; bir kovalent bağdan daha (yaklaşık 15-20 kez).
Hidrojen bağları, suyun belirli bir yarı ve kristal yapısının oluşumunda belirleyici bir rol oynar. Modern kavramlara göre, suyun yapısının temeli, kristal hücre termal hareketle bulaşan serbest su moleküllerinin bir kısmı ile. Katı haldeki su, moleküler kristal kafeslerle karakterize edilir, çünkü kristaller hidrojen bağlarıyla birbirine bağlı moleküllerden oluşur. Suyun nispi geçirgenliğinin çok yüksek değerini belirleyen, kristal kafesin elemanlarının yanı sıra su moleküllerinin dipol doğasıdır.
Sıvı su molekülleri, ortakların (Н2О) n oluşumu ile polimerizasyon veya birleşme yeteneğine sahiptir. Yoğun ortakların oluşumu +4 C'de meydana gelir, bu da bu sıcaklıktaki suyun yüksek yoğunluğunu açıklar. Isıtıldığında, hidrojen bağları yok edilir ve ortaklar ayrılmaya başlar, çünkü termal hareketin enerjisi bu bağların enerjisinden daha büyük olur. Bağları kırmak çok fazla enerji gerektirir, bu nedenle suyun yüksek kaynama noktası ve özgül ısı kapasitesi. Bu, çevre sıcaklığındaki dalgalanmalar sırasında organizmalar için gereklidir.
Suyun X-ışını kırınım analizi, buz yapısının parçalarının sıvı suda kaldığını tespit etti. 20°C sıcaklıkta, moleküllerin yaklaşık %70'i, her biri ortalama 57 molekül içeren agregalar halinde su içindedir. Bu tür birimlere denir kümeler. Kümeyi oluşturan su molekülleri bağlıdır ve metabolik olarak inerttir. Metabolik reaksiyonlarda sadece serbest su molekülleri aktif rol oynar. Çok sayıda küme varsa, bu, suyun immobilizasyonuna, yani serbest suyun dışlanmasına, enzimatik işlemlerin kısıtlanmasına ve hücrenin fonksiyonel aktivitesinde bir azalmaya yol açar.
BİYOLOJİ +Su da dahil olmak üzere belirli elektrolitlerin ayrışması sırasında H iyonları oluşur. + ve o - konsantrasyonu, çözeltilerin asitliğini veya bazlığını ve buna bağlı olarak birçok biyomolekülün ve yaşam sürecinin yapısal özelliklerini ve aktivitesini belirleyen konsantrasyon. Bu konsantrasyon kullanılarak ölçülür pH göstergesi - pH. pH, konsantrasyonun negatif ondalık logaritmasıdır
H iyonları + . Saf suda bu konsantrasyon 1-10 -7 mol/l (-günlük 10 -7 = 7 ) . Bu nedenle, suyun nötr reaksiyonu pH 7'ye karşılık gelir, asidik-pH<7 и основной -pH>7. pH ölçeğinin uzunluğu 0 ila 14 arasındadır. Hücrelerdeki pH değeri hafif alkalidir. Bir veya iki birim değiştirmek hücreye zarar verir. Hücrelerdeki pH'ın sabitliği, elektrolit karışımı içeren tampon sistemleri tarafından korunur. Zayıf asitlerden oluşurlar. (donör H +) ve ilişkili tabanı (alıcı H +) , uygun olarak H iyonlarını bağlayan + ve OH bağları - , hücre içindeki pH reaksiyonunun neredeyse değişmemesi nedeniyle.
hidrofilik ve hidrofobik bileşikler. Su moleküllerinde iki çift ortak elektron oksijene doğru kaydırılır. elektrik şarjı moleküllerin içinde eşit olmayan bir şekilde dağılmıştır: H + protonları bir kutupta pozitif bir yüke neden olur ve oksijen elektron çiftleri karşı kutupta negatif bir yüke neden olur. Bu yükler eşit büyüklüktedir ve birbirinden belirli bir mesafede bulunur. Yani su molekülü sabittir dipol, pozitif ve negatif yüklerin taşıyıcıları ile etkileşime girebilir. Su moleküllerinde kutupların varlığı, suyun hareket kabiliyetini açıklar. kimyasal reaksiyonlar hidrasyon.
Polariteleri nedeniyle, su molekülleri hidratlar (çözünen ile su bileşikleri) oluşturmak için suda çözünür maddelerin moleküllerine veya iyonlarına bağlanabilir. Bu reaksiyonlar ekzotermiktir ve hidroliz reaksiyonlarının aksine, hidrasyona hidrojen veya hidroksit iyonlarının oluşumu eşlik etmez.
Su molekülleri polar maddelerin molekülleri ile etkileştiğinde, su moleküllerinin farklı bir maddeye olan çekimi, su molekülleri arasındaki çekim enerjisini aşar. Bu nedenle, bu tür bileşiklerin molekülleri veya iyonları, suyun genel hidrojen bağları sistemine yerleştirilmiştir. hidrofilik maddeler - Bunlar suda iyi çözünebilen polar maddelerdir. Bunlar çözünür kristal tuzlar, monosakaritler, belirli amino asitler, nükleik asitler vb.
Su moleküllerinin polar olmayan maddelerin molekülleri ile etkileşimi durumunda, su moleküllerinin içlerindeki çekim enerjisi hidrojen bağlarının enerjisinden daha az olacaktır. Polar olmayan moleküller kendilerini su moleküllerinden izole etmeye çalışırlar, birlikte gruplanırlar ve sulu çözeltiden yer değiştirirler. hidrofobik maddeler - Bunlar suda çözünmeyen polar olmayan maddelerdir. Bunlar çözünmeyen mineral tuzları, lipidler, polisakkaritler, belirli proteinler vb.dir. Bazı organik moleküllerin ikili özellikleri vardır: polar gruplar bazı alanlarında yoğunlaşırken, diğerlerinde polar olmayanlar. Bunlar birçok protein, fosfolipittir. arandılar amfifilik maddeler.
Karbonun olduğu yerde çeşitli organik maddeler vardır, karbonun olduğu yerde moleküler mimari açısından en çeşitli yapılar vardır.
Genç bir kimyagerin ansiklopedisi
Suyun bileşimi, elektrik akımı ile ayrışma reaksiyonu kullanılarak belirlenebilir. Bir hacim oksijen başına iki hacim hidrojen oluşur (gazın hacmi madde miktarıyla orantılıdır):
2H 2 O \u003d 2H 2 + O 2
Su moleküllerden oluşur. Her molekül, bir oksijen atomuna kovalent bağlarla bağlı iki hidrojen atomu içerir. Bağlar arasındaki açı yaklaşık 105 ° 'dir:
AH
H
Oksijen daha elektronegatif bir element (güçlü bir oksitleyici ajan) olduğundan, kovalent bağın ortak elektron çifti oksijen atomuna kaydırılır, üzerinde kısmi bir negatif yük δ− oluşur ve üzerinde kısmi bir pozitif yük δ+ oluşur. hidrojen atomları. Komşu moleküller birbirine zıt yükler tarafından çekilir - bu nispeten Yüksek sıcaklık kaynayan su.
Oda sıcaklığındaki su renksiz şeffaf bir sıvıdır. Erime noktası 0º C, atmosferik basınçta kaynama noktası - 100 ° C Saf su elektriği iletmez.
Suyun ilginç bir özelliği de en yüksek yoğunluğu 1 g/cm3 olmasıdır. yaklaşık 4 ° C sıcaklıkta. Sıcaklık azaldıkça suyun yoğunluğu azalır. Bu nedenle, kışın başlamasıyla birlikte, suyun üst dondurucu katmanları daha hafif hale gelir ve batmaz. Yüzeyde buz oluşur. Bir rezervuarın dibe donması genellikle meydana gelmez (ayrıca buzun da bir yoğunluğu vardır). daha az su ve yüzeyde yüzer).
büyük kirleticilere doğal su cıva, arsenik ve diğer toksik elementlerin bileşiklerini içeren endüstriyel işletmelerden gelen atık suları içerir. Hayvancılık komplekslerinden ve şehirlerden çıkan atıklar, bakterilerin hızla gelişmesine neden olan atıklar içerebilir. Doğal su kütleleri için büyük bir tehlike, uygun olmayan depolamadır (bu, su kaynaklarına karşı koruma sağlamaz). yağış) veya su kütlelerine yıkanmış gübre ve pestisit kullanımı. Ulaşım, özellikle su, su kütlelerini petrol ürünleri ile kirletir ve evsel atık vicdansız kişiler tarafından doğrudan suya atılır.
Suyu korumak için, endüstriyel işletmelere kapalı su temini, hammadde ve atıkların karmaşık işlenmesi, arıtma tesislerinin inşası ve nüfusun çevre eğitiminin getirilmesi gerekmektedir.
* Su elektrolizi için tuz çözeltileri kullanılır
2. Deneyim. Önerilen üç tuz arasında karbonik asit tuzunun tanınması.
Karbonatlara kalitatif bir reaksiyon, hızlı bir karbondioksit salınımının eşlik ettiği asitlerle etkileşimdir:
CaCO 3 + 2HCl \u003d CaCl 2 + H20 + CO2
veya iyonik biçimde:
CO 3 2− + 2H + = H 2 O + CO 2
Kireçli su çözeltisinden geçirilerek açığa çıkan ve bulanıklaşmasına neden olanın karbon monoksit (IV) olduğunu kanıtlamak mümkündür:
CO 2 + Ca (OH) 2 \u003d CaCO 3 ↓ + H 2 O
Karbonik asit tuzunu tanımak için, üç test tüpünün hepsine biraz asit ekleyin (“kaynama” sırasında taşmaması için). Renksiz, kokusuz bir gazın çıkacağı yerde karbonat vardır.
Su, hayatımızdaki en yaygın ve en yaygın maddedir. İnsan vücudu %70 sudan oluşur ve çevremizdeki doğal çevre de %70 su içerir.
İtibaren okul ders kitapları bir su molekülünün bir oksijen atomu ve iki hidrojen atomundan oluştuğunu biliyoruz, yani. en küçük ve en hafif moleküllerden biridir. Sürekli kullandığımız suyun özelliklerinin bizim için tüm rutini ve açıklığı ile, Dünya'daki yaşam biçimlerini bile belirleyen sıvı su paradoksları vardır.
Sıvı su buzdan daha yoğun bir yoğunluğa sahiptir. Bu nedenle, donarken buzun hacmi artar, buz suyun yüzeyinde yüzer.
Suyun yoğunluğu 4°C'de maksimumdur ve erime noktasında değil, bu sıcaklığın hem sağında hem solunda azalır.
Artan basınçla suyun viskozitesi azalır.
Suyun kaynama noktası, kaynama noktasının maddelerin moleküler ağırlığına genel bağımlılığının dışındadır (Şekil 1.1). Aksi takdirde 60 o C'den yüksek olmamalıdır.
Suyun ısı kapasitesi diğer sıvıların en az iki katıdır.
Buharlaşma ısısı (~ 2250 kJ/kg) diğer sıvılardan en az üç kat, etanolden 8 kat daha fazladır.
Suyun bu son özelliğini düşünün. Buharlaşma ısısı, moleküller yoğun fazdan gaz faza geçerken aralarındaki bağları kırmak için gereken enerjidir. Bu, tüm paradoksal özelliklerin nedeninin, suyun moleküller arası bağlarının doğasında olduğu ve bunun da su molekülünün yapısı tarafından belirlendiği anlamına gelir.
Şekil 1.1. Çeşitli bileşiklerin moleküler ağırlık oranlarının aralığı ve kaynama noktaları.
Su molekülü nedir?
1780'de Lavoisier deneysel olarak suyun oksijen ve hidrojenden oluştuğunu, iki hacim hidrojenin bir hacim oksijenle etkileştiğini ve sudaki hidrojen ve oksijen kütlelerinin oranının 2:16 olduğunu ortaya koydu. 1840 yılına gelindiğinde, suyun moleküler formülünün H 2 O olduğu anlaşıldı.
Bir moleküldeki üç çekirdek, tabanında iki proton bulunan bir ikizkenar üçgen oluşturur (Şekil 1.2). elektronik formül su molekülleri [(1S 2)] [(1S 2)(2S 2)(2P 4)].
Şekil 1.2.Bir bağlama sisteminin oluşumu m.o. oksijen atomunun 2p orbitallerinden ve 1soksijen atomunun orbitalleri ve 1s-hidrojen atomlarının yörüngeleri.
İki hidrojen 1s elektronunun iki elektron 2p oksijen ile bağlantılı olarak katılımı nedeniyle, sp hibridizasyonu meydana gelir ve hibrit sp 3 orbitalleri, aralarında 104,5 ° 'lik bir karakteristik açı ve ayrıca iki zıt yük kutbu ile oluşur. Uzunluk O-N bağlantıları 0.95Â'dır (0.095 nm), protonlar arasındaki mesafe 1.54Â'dır (0,154 nm). Şekil 1.3, su molekülünün elektronik modelini göstermektedir.
Şekil 1.3. H molekülünün elektronik modeli 2 HAKKINDA.
Sekiz elektron, üç düzlemde (açı 90) bulunan dört yörüngede çiftler halinde döner. hakkında ) küpün içine sığan. 1, 2 - yalnız elektron çiftleri.
Bu düşüncenin en önemli sonucu: yük dağılımının asimetrisi, H 2 O molekülünü bir dipole dönüştürür: protonlar iki pozitif uçta bulunur ve paylaşılmamış p-elektron çiftleri iki negatif uçta bulunur.
Böylece, bir su molekülü üçgen bir piramit - köşelerinde dört yükün yerleştirildiği bir tetrahedron - ikisi pozitif ve ikisi negatif olarak kabul edilebilir.
Bu yükler, komşu su moleküllerini kesin olarak tanımlanmış bir şekilde döndürerek yakın çevrelerini oluştururlar - böylece iki oksijen atomu arasında her zaman yalnızca bir hidrojen atomu bulunur. Katı halde su üzerinde böyle bir moleküller arası yapıyı hayal etmek ve incelemek en kolayıdır. Şekil 1.4 buzun yapısını göstermektedir.
Pirinç. 1.4. Buzun altıgen yapısı
Yapı, O-H...O bağları ile bir arada tutulur. Bir hidrojen atomunun aracılık ettiği komşu su moleküllerinin iki oksijen atomunun böyle bir bağlantısına hidrojen bağı denir.
Hidrojen bağı aşağıdaki nedenlerle oluşur:
1 - protonun sadece bir elektronu vardır, bu nedenle iki atomun elektron itmesi minimumdur. Proton basitçe komşu atomun elektron kabuğuna dalarak atomlar arasındaki mesafeyi %20-30 oranında (1 Å'ye kadar) azaltır;
2 - komşu atomun büyük bir elektronegatiflik değerine sahip olması gerekir. Geleneksel terimlerle (Pauling'e göre), elektronegatiflik F 4.0'dır; O - 3.5; N - 3.0; Cl - 3.0; C - 2.5; S - 2.5.
Bir su molekülü dört hidrojen bağına sahip olabilir, ikisinde elektron vericisi, ikisinde elektron alıcısı görevi görür. Ve bu bağlar hem komşu su molekülleriyle hem de diğer maddelerle ortaya çıkabilir.
Böylece dipol momenti açı H-O-H ve О-Н…О hidrojen bağı suyun benzersiz özelliklerini belirler ve çevremizdeki dünyayı şekillendirmede önemli bir rol oynar.
Meyer Cell tarafından gerçekleştirilen görev, elektromanyetik radyasyon eşliğinde bir elektrik akımının etkisi altında su moleküllerinin “kolay” ayrışmasıdır.
Bunu çözmek için, suyun ne olduğunu bulalım mı? Su moleküllerinin yapısı nasıldır? Su molekülleri ve bağları hakkında bilinenler nelerdir? Makalede, internette yeterli sayıda bulunan çeşitli yayınları kullandım, ancak bunlar çok sayıda çoğaltılıyor, bu yüzden yazarlarının kim olduğu benim için net değil ve kaynağa atıfta bulunmak benim açımdan aptalca. Ayrıca, bu yayınlar, algılanmayı zorlaştıran ve çalışma süresini önemli ölçüde artıran utanç verici derecede "kafa karıştırıcı". Makaleleri analiz ederek, ucuz enerji çıkarma sürecinde veya daha doğrusu su moleküllerini bileşenlere - hidrojen ve oksijene ayırma sürecinde neyle uğraşacağımızı anlamada size rehberlik edebilecek bir şey çıkardım.
Öyleyse, su moleküllerinin yapısıyla ilgili en önemli kavramları ele alalım!
Su, ana yapısal birimi bir oksijen atomu ve iki hidrojen atomundan oluşan H 2 O molekülü olan bir maddedir.
Su molekülü ikizkenar üçgen yapısına sahiptir: Bu üçgenin tepesinde bir oksijen atomu ve tabanında iki hidrojen atomu vardır. Tepe açısı 104°27 ve kenar uzunluğu 0.096 nm'dir. Bu parametreler, su molekülünün salınımları ve dönüşleri olmadan varsayımsal denge durumuna atıfta bulunur. Su molekülünün geometrisi ve elektron yörüngeleri şekilde gösterilmiştir.
Su molekülü, kutuplarda pozitif ve negatif yükler içeren bir dipoldür. Diğer moleküllere bağlı olmayan "serbest" bir su molekülü bir elektrik alanına yerleştirilirse, negatif kutuplarıyla elektrik alanın pozitif plakasına ve pozitif kutuplarıyla negatif plakaya "dönecektir". Şekil 1, konum - 3B'de gösterilen, Mayer Hücresinin çalışmasını "Benzin yerine su" makalesinde açıklayan bu işlemdir.
Pozitif ve negatif yüklerin merkez merkezlerini düz çizgilerle birleştirirseniz, üç boyutlu bir geometrik şekil elde edersiniz - normal bir tetrahedron. Bu, su molekülünün kendisinin yapısıdır.
Hidrojen bağlarının varlığı nedeniyle, her su molekülü, 4 komşu molekülle bir hidrojen bağı oluşturarak bir buz molekülünde bir açık ağ örgü çerçevesi oluşturur. Su moleküllerinin "yapı" olarak adlandırılabilecek bu düzenli halidir. Her molekül, donma üzerine yoğun bir yapı oluşumuna izin vermeyen tetrahedral köşelere yönlendirilmiş, 109°28′'ye eşit kesin olarak tanımlanmış açılarda diğer moleküllerle aynı anda dört hidrojen bağı oluşturabilir.
Buz eridiğinde, tetragonal yapısı çöker ve su ile serbest su moleküllerinin tri-, tetra-, penta- ve heksamerlerinden oluşan bir polimer karışımı oluşur.
Sıvı halde su, düzensiz bir sıvıdır. Bu hidrojen bağları kendiliğinden, kısa ömürlü, çabuk kırılır ve yeniden oluşur.
Gruplandırılmış, su moleküllerinin tetrahedraları çeşitli uzamsal ve düzlemsel yapılar oluşturur.
Ve doğadaki tüm yapı çeşitliliğinden, altı su molekülü (tetrahedra) bir halkada birleştirildiğinde, taban altıgen (altıgen) yapıdır.
Bu tür bir yapı, böyle bir yapının varlığından dolayı "Yapılandırılmış su" olarak adlandırılan buz, kar ve erimiş su için tipiktir. Yapılandırılmış suyun faydalı özellikleri hakkında çok şey yazılıyor, ancak bu makalemizin konusu değil. Altıgen yapılar oluşturan yapılandırılmış suyun, su yapısının hidrojen ve oksijene ayrışması için kullanılabilecek en kötü versiyonu olması mantıklı olacaktır. Nedenini açıklamama izin verin: Altı tane bir heksamerde gruplanan su molekülleri, elektriksel olarak nötr bir bileşime sahiptir - heksamerlerin pozitif ve negatif kutupları yoktur. Bir elektrik alanına bir heksamer yapılandırılmış su koyarsanız, buna hiçbir şekilde tepki vermez. Bu nedenle, mantıksal olarak, suda mümkün olduğunca az sayıda organize yapının bulunmasının gerekli olduğu sonucuna varılabilir. Aslında, bunun tersi doğrudur, bir heksamer tam bir yapı değildir, daha da ilginç bir kavram vardır - bir küme.
Birleşik su moleküllerinin yapılarına kümeler, tek tek su moleküllerine ise kuanta adı verilir. Bir küme, hem pozitif hem de negatif kutuplara sahip heksamerler de dahil olmak üzere, su moleküllerinin toplu bir bileşimidir.
Damıtılmış suda, kümeler pratik olarak elektriksel olarak nötrdür, çünkü buharlaşma sonucunda kümeler tahrip olmuştur ve yoğuşma sonucunda su molekülleri arasında güçlü bağlar ortaya çıkmamıştır. Ancak elektriksel iletkenlikleri değiştirilebilir. Damıtılmış su bir manyetik karıştırıcı ile karıştırılırsa, kümelerin elemanları arasındaki bağlar kısmen restore edilecek ve suyun elektriksel iletkenliği değişecektir. Başka bir deyişle, Damıtılmış su, moleküller arasında minimum sayıda bağ bulunan sudur. . İçinde, moleküllerin dipolleri yanlış yönlendirilmiş bir durumdadır, bu nedenle damıtılmış suyun dielektrik sabiti çok yüksektir ve elektrik akımının zayıf bir iletkenidir. Aynı zamanda, su kümelerinin kontrol edilebilirliğini arttırmak için, moleküler bağlara katılan, su moleküllerinin altıgen yapılar oluşturmasına izin vermeyen, böylece elektrolitler oluşturan asitler veya alkaliler eklenir. Damıtılmış su, kümeler halindeki su molekülleri arasında çok sayıda bağ bulunan yapılandırılmış suyun tam tersidir.
Sitemde, ilk bakışta “ayrı” olan ve diğer makalelerle hiçbir ilgisi olmayan makaleler var ve görünecek. Aslında, sitenin makalelerinin çoğu tek bir bütün halinde birbirine bağlıdır. Bu durumda, damıtılmış suyun özelliklerini açıklarken, Dipol elektrik akımı teorisini kullanıyorum, bu, hem bilim hem de uygulama tarafından klasik kavramdan daha iyi onaylanan alternatif bir elektrik akımı kavramıdır.
Bir elektrik akımı kaynağının enerjisine maruz kaldığında, su atomlarının tüm dipolleri (iletken olarak) döner ve aynı adı taşıyan kutuplarını bir yöne yönlendirir. Su molekülleri, harici bir elektrik alanının ortaya çıkmasından önce bir küme (karşılıklı olarak yönlendirilmiş) yapı oluşturduysa, o zaman harici bir elektrik alanında yönlendirme için, elektrik akımı kaynağının minimum miktarda enerjisi gerekir. Yapı organize edilmemişse (damıtılmış su gibi), o zaman çok sayıda enerji.
Damıtılmış su ve eriyik suyun aynı elektriksel iletken özelliklere sahip olması gerektiğine dair “insanlar arasında” bir görüş olduğunu unutmayın, çünkü birinin ve diğerinin kimyasal safsızlıkları (genellikle tuzlar) yoktur, bunlar kimyasal bileşim aynıdır ve su moleküllerinin yapısı erimiş suda ve damıtılmış suda aynıdır.
Aslında, her şey tam tersi görünüyor, safsızlıkların olmaması, suyun elektriksel iletkenliğinin özelliklerini hiç göstermez. Bunu fark etmeyen bazı insanlar, pilleri elektrolitle doldurma, damıtılmış suyu erimiş suyla değiştirme veya basitçe bir karbon filtreden arındırma aşamasında bile “öldürür”. Kural olarak, otomotiv pazarından satın alınan şarjlı bir pil, kuru şarjlı ve seyreltilmiş olarak satın aldığınızdan daha az dayanır. sülfürik asit damıtılmış su, kendin doldur. Bunun tek nedeni, “hazır” bir elektrolitin veya şarjlı bir pilin günümüzde bir para kazanma aracı olmasıdır ve ne tür su kullanıldığını belirlemek için pahalı bir inceleme yapmak gerekir, kimse bununla uğraşmaz. Bugün nasılsın. Tüccar için arabanızdaki pilin ne kadar sürdüğü önemli değildir ve siz de asitle uğraşmak istemezsiniz. Ama sizi temin ederim, terlediğiniz pil, sıfırın altındaki sıcaklıklarda, hazır elektrolitle doldurulmuş pilden çok daha neşeli olacaktır.
Devam edelim!
Suda, kümeler periyodik olarak yok edilir ve tekrar oluşur. Atlama süresi 10-12 saniyedir.
Su molekülünün yapısı asimetrik olduğundan, pozitif ve negatif yüklerinin ağırlık merkezleri çakışmaz. Moleküllerin iki kutbu vardır - pozitif ve negatif, bir mıknatıs gibi moleküler kuvvet alanları yaratır. Bu tür moleküllere polar veya dipol denir ve polaritenin nicel özelliği, mesafenin ürünü olarak ifade edilen dipolün elektrik momenti ile belirlenir. ben yük başına molekülün pozitif ve negatif yüklerinin elektrik ağırlık merkezleri arasında e mutlak elektrostatik birimlerde: p = ben
Su için dipol momenti çok yüksektir: p = 6.13·10 -29 C·m.
Faz sınırlarındaki (sıvı-hava) su kümeleri belirli bir sırada sıralanırken, tüm kümeler aynı frekansta salınım yaparak ortak bir frekans elde eder. Kümelerin bu tür hareketi ile, kümeye dahil olan su moleküllerinin polar olduğu, yani büyük bir dipol momente sahip oldukları dikkate alındığında, elektromanyetik radyasyonun ortaya çıkması beklenmelidir. Bu radyasyon, serbest dipollerin radyasyonundan farklıdır, çünkü dipoller bir küme yapısında birbirine bağlıdır ve salınır.
Su kümelerinin salınım frekansı ve buna bağlı olarak elektromanyetik salınımların frekansı aşağıdaki formülle belirlenebilir:
nerede a
belirli bir sıcaklıkta suyun yüzey gerilimidir; m
kümenin kütlesidir.
Neresi V kümenin boyutudur.
Bir kümenin hacmi, kümenin fraktal kapalı yapısının boyutları dikkate alınarak veya bir protein alanının boyutlarına benzetilerek belirlenir.
18°C oda sıcaklığında, küme titreşim frekansı F
6.79 10 9 Hz'e eşit, yani boş uzaydaki dalga boyu λ
= 14,18 mm.
Fakat su harici elektromanyetik radyasyona maruz kaldığında ne olacak? Su kendi kendini organize eden bir yapı olduğundan ve hem kümelenmiş elementler hem de serbest moleküller içerdiğinden, harici elektromanyetik radyasyona maruz kaldığında aşağıdakiler meydana gelir. Su molekülleri birbirine yaklaştığında (mesafe R 0'dan R 1'e değişir), etkileşim enerjisi birbirlerinden uzaklaştıkları zamana göre daha fazla değişir (mesafe R 0'dan R 2'ye değişir).
Ancak, su molekülleri büyük bir dipol momente sahip olduğundan, harici bir elektromanyetik alan durumunda salınım yapacaklardır (örneğin, R1'den R2'ye). Bu durumda, yukarıdaki bağımlılık nedeniyle, uygulanan elektromanyetik alan, moleküllerin çekimine ve dolayısıyla bir bütün olarak sistemin organizasyonuna, yani. altıgen bir yapının oluşumu.
safsızlıkların varlığında su ortamı, sistemin toplam enerjisi minimum bir değer alma eğiliminde olacak şekilde bir hidrat kabuğu ile kaplanırlar. Ve altıgen yapının toplam dipol momenti sıfıra eşitse, o zaman safsızlıkların varlığında, yanlarındaki altıgen yapı, sistemin minimum bir değer alacağı şekilde ihlal edilir, bazı durumlarda altıgenler dönüştürülür. beşgenler ve hidrasyon kabuğu bir topa yakın bir şekle sahiptir. Safsızlıklar (örneğin Na + iyonları) yapıyı stabilize ederek yıkıma karşı daha dirençli hale getirebilir.
Elektromanyetik radyasyonun etkisi altındaki kendi kendini organize eden bir su sistemi bir bütün olarak hareket etmeyecek, ancak altıgenin her bir elemanı ve yerel olarak ve farklı türde kirlilikler olması durumunda yapı değişecektir, yani. yapının geometrisinde bir bozulma olacaktır, yani. gerilimler ortaya çıkar. Suyun bu özelliği polimerlere çok benzer. Ancak polimer yapıların büyük zamanlar 10 -11 -10 -12 s değil, dakika veya daha fazla olan gevşeme. Bu yüzden Bozulmaları sonucu organize bir su yapısının iç enerjisine geçen elektromanyetik radyasyon kuantumunun enerjisi, elektromanyetik radyasyonun enerjisinden 500-1000 kat daha büyük olan hidrojen bağ enerjisine ulaşana kadar onun tarafından biriktirilecektir. alan. Bu değere ulaşıldığında hidrojen bağı kırılır ve yapı bozulur..
Bu karşılaştırılabilir kar çığı kademeli, yavaş bir kütle birikimi ve ardından hızlı bir çöküş olduğunda. Su durumunda, sadece kümeler arasındaki zayıf bağ değil, aynı zamanda su moleküllerinin yapısındaki daha güçlü bağlar da kopar. Bu boşluğun bir sonucu olarak, H +, OH - ve hidratlanmış bir elektron e - oluşturulabilir. Saf suyun mavi rengi, sadece doğal ışığın saçılmasından değil, bu elektronların varlığından kaynaklanmaktadır.
Çözüm
Böylece, su ile elektromanyetik radyasyona maruz kaldığında, küme yapısında belirli bir kritik değere kadar enerji birikir, daha sonra hem kümeler hem de diğerleri arasındaki bağlar kopar, çığ benzeri bir enerji salınımı meydana gelir ve daha sonra diğerlerine dönüştürülebilir. türleri.
