Чем отличаются молекулы воды и молекулы льда? Гексагональная тирания Молекула льда и жидкой воды

Трехмерное состояние жидкой воды трудно исследовать, но многое было изучено путем анализа структуры кристаллов льда. Четыре соседних атома кислорода с водородным взаимодействием занимают вершины тетраэдра (тетра = четыре, гедрон = плоскость). Средняя энергия, необходимая для разрушения подобной связи во льду, оценивается в 23 кДж / моль -1 .

Способность молекул воды образовывать данное количество водородных цепей, а также указанная прочность создает необычно высокую температуру плавления. Когда он тает, то удерживается жидкой водой, структура которой нерегулярна. Большая часть водородных связей искажается. Для разрушения кристаллической решетки льда с водородной связью требуется большая масса энергии в виде тепла.

Особенности появления льда (Ih)

Многие из обывателей задаются вопросом о том, какая кристаллическая решетка у льда. Необходимо отметить, что плотность большинства веществ возрастает при замораживании, когда молекулярные движения замедляются и образуются плотно упакованные кристаллы. Плотность воды также увеличивается, когда она остывает до достижения максимума при 4°C (277K). Затем, когда температура опускается ниже этого значения, она расширяется.

Это увеличение обусловлено образованием открытого водородно-связанного кристалла льда с его решеткой и меньшей плотностью, в котором каждая молекула воды жестко связана указанным выше элементом и четырьмя другими значениями, и при этом двигается достаточно быстро, чтобы обладать большей массой. Поскольку происходит подобное действие, жидкость замерзает сверху вниз. Это имеет важные биологические результаты, вследствие которых слой льда на пруду изолирует живых существ подальше от сильного холода. Кроме того, два дополнительных свойства воды связаны с его водородными характеристиками: удельной теплоемкостьюи испарением.

Детальное описание структур

Первый критерий представляет собой количество, необходимое для повышения температуры 1 грамма вещества на 1°С. Для повышения градусов воды требуется относительно большая часть тепла, потому что каждая молекула участвует в многочисленных водородных связях, которые должны быть разрушены, чтобы кинетическая энергия увеличивалась. Кстати, обилие H 2 O в клетках и тканях всех крупных многоклеточных организмов означает, что флуктуация температуры внутри клеток сведена к минимуму. Эта особенность имеет решающее значение, поскольку скорость большинства биохимических реакций чувствительна.

Также значительно выше, чем у многих других жидкостей. Для преобразования этого тела в газ требуется большое количество тепла, потому что водородные связи должны быть разрушены, чтобы молекулы воды могли дислоцироваться друг от друга и войти в указанную фазу. Изменяемые тела представляют собой постоянные диполи и могут взаимодействовать с другими подобными соединениями и теми, что ионизируются и растворяются.

Иные вещества, указанные выше, могут вступать в контакт только при наличии полярности. Именно такое соединение участвует в строении этих элементов. Кроме того, оно может выравниваться вокруг этих частиц, образованных из электролитов, так что отрицательные атомы кислорода молекул воды ориентированы на катионы, а положительные ионы и атомы водорода, ориентированы на анионы.

В образуются, как правило, молекулярные кристаллические решетки и атомные. То есть если йод построен таким образом, что в нем присутствует I 2, то в твердом диоксиде углерода, то есть в сухом льде, в узлах кристаллической решетки находятся молекулы CO 2 . При взаимодействии с подобными веществами, ионную кристаллическую решетку имеет лед. Графит, например, обладающий атомной структурой, в основе которой углерод, не способен ее менять, также как и алмаз.

Что происходит, когда кристалл столовой соли растворяется в воде: полярные молекулы притягиваются к заряженным элементам в кристалле, что приводит к образованию подобных частиц натрия и хлорида на его поверхности, в результате эти тела дислоцируются друг от друга, и он начинает растворяться. Отсюда можно наблюдать, что лед имеет кристаллическую решетку с ионной связью. Каждый растворенный Na + притягивает отрицательные концы нескольких молекул воды, тогда как каждый растворенный Cl - притягивает положительные концы. Оболочка, окружающая каждый ион, называется сферой спасения и, обычно, содержит несколько слоев частиц растворителя.

Говорят, что переменные или ион, окруженные элементами, являются сульфатированными. Когда растворителем выступает вода, такие частицы гидратируются. Таким образом, любая полярная молекула имеет тенденцию к сольватации элементами жидкого тела. У сухого льда тип кристаллической решетки образует в агрегатном состоянии атомные связи, которые неизменны. Другое дело кристаллический лед (замороженная вода). Ионные органические соединения, такие как карбоксилазы и протонированные амины, должны обладать растворимостью в гидроксильной и карбонильной группах. Частицы, содержащиеся в таких структурах, двигаются между молекулами, причем их полярные системы образуют водородные связи с этим телом.

Конечно, количество последних указанных групп в молекуле влияет на ее растворимость, которая также зависит от реакции различных структур в элементе: например, одно-, двух- и трех углеродные спирты смешиваются с водой, но более крупные углеводороды с одиночными гидроксильными соединениями гораздо менее разбавляемы в жидкости.

Шестиугольный Ih схож по форме с атомной кристаллической решеткой. У льда и всего естественного снега на Земле она выглядит именно так. Об этом свидетельствует симметрия кристаллической решетки льда, выращенная из водяного пара (то есть снежинок). Находится в космической группе P 63/мм с 194; D 6h, класса Лауэ 6/мм; аналогичный β-, имеющей кратную 6-ти винтовую ось (вращение вокруг в дополнение к сдвигу вдоль нее). Он обладает довольно открытой структурой с низкой плотностью, где эффективность низкая (~ 1/3) по сравнению с простыми кубическими (~ 1/2) или гранецентрированными кубическими (~ 3/4) структурами.

По сравнению с обычным льдом, кристаллическая решетка сухого льда, связанная молекулами CO 2 , статична и меняется лишь при распаде атомов.

Описание решеток и входящих в них элементов

Кристаллы можно рассматривать, как кристаллические модели, состоящие из листов, расположенных друг над другом. Водородная связь упорядочена, тогда как в действительности она случайна, поскольку протоны могут перемещаться между молекулами воды (льда) при температурах выше примерно 5 К. Действительно, вполне вероятно, что протоны ведут себя, как квантовая жидкость в постоянном туннелированном потоке. Это усиливается рассеянием нейтронов, показывающих плотность их рассеяния на полпути между атомами кислорода, что указывает на локализацию и согласованное движение. Здесь наблюдается схожесть льда с атомной, молекулярной кристаллической решеткой.

Молекулы имеют ступенчатое расположение водородной цепи по отношению к трем своим соседям в плоскости. Четвертый элемент имеет затмеваемое расположение водородной связи. Существует небольшое отклонение от идеальной шестиугольной симметрии, как на 0,3% короче в направлении этой цепи. Все молекулы испытывают одинаковые молекулярные среды. Внутри каждой "коробки" достаточно места для удержания частиц интерстициальной воды. Хотя это, как правило, не считается, недавно они были эффективно обнаружены нейтронной дифракцией порошкообразной кристаллической решеткой льда.

Изменение веществ

Шестиугольное тело имеет тройные точки с жидкой и газообразной водой 0,01 ° C, 612 Па, твердыми элементами - три -21,985 ° C, 209,9 МПа, одиннадцать и два -199,8 ° C, 70 МПа, а также -34,7 ° C, 212,9 МПа. Диэлектрическая проницаемость гексагонального льда составляет 97,5.

Кривая плавления этого элемента дается МПа. Уравнения состояния доступны, кроме них некоторые простые неравенства, связывающие изменение физических свойств с температурой гексагонального льда и его водных суспензий. Твердость колеблется в зависимости от градусов, возрастающих примерно от или ниже гипса (≤2) при 0°С, до уровня полевого шпата (6 по при -80 ° С, аномально большое изменение абсолютной твердости (> 24 раза).

Шестиугольная кристаллическая решетка льда образует гексагональные пластины и столбцы, где верхняя и нижняя грани являются базальными плоскостями {0 0 0 1} с энтальпией 5,57 мкДж · см -2 , а другие эквивалентные боковые называются частями призмы {1 0 -1 0} с 5,94 мкДж · см -2 . Вторичные поверхности {1 1 -2 0} с 6.90 μJ ˣ см -2 могут быть сформированы по плоскостям, образованными сторонами структур.

Подобное строение показывает аномальное уменьшение теплопроводности с увеличением давления (как и кубический, и аморфный лед низкой плотности), но отличается от большинства кристаллов. Это связано с изменением водородной связи, уменьшающей поперечную скорость звука в кристаллической решетке льда и воды.

Существуют методы, описывающие, как подготовить большие образцы кристалла и любую желаемую поверхность льда. Предполагается, что водородная связь на поверхности гексагонального исследуемого тела будет более упорядоченной, чем внутри объемной системы. Вариационная спектроскопия с генерацией по частоте колебаний с фазовой решеткой показала, что существует структурная асимметрия между двумя верхними слоями (L1 и L2) в подповерхностной HO цепи базальной поверхности гексагонального льда. Принятые водородные связи в верхних слоях шестиугольниках (L1 O ··· HO L2) сильнее, чем принятые во втором слое к верхнему накоплению (L1 OH ··· O L2). Доступны интерактивные структуры гексагонального льда.

Особенности развития

Минимальное количество молекул воды, необходимых для зарождения льда, примерно 275 ± 25, как и для полного икосаэдрического кластера 280. Образование происходит с коэффициентом 10 10 на поверхности раздела воздух-вода, а не в объемной воде. Рост кристаллов льда зависит от разных темпов роста различных энергий. Вода должна быть защищена от замерзания при крио консервировании биологических образцов, пищи и органов.

Обычно это достигается быстрыми скоростями охлаждения, использованием небольших образцов и крио консерватора, а также увеличением давления для образования зародышей льда и предотвращения повреждения клеток. Свободная энергия льда / жидкости увеличивается от ~ 30 мДж/м 2 при атмосферном давлении до 40 мДж/м -2 при 200 МПа, что указывает на причину, по которой происходит подобный эффект.

В качестве альтернативы они могут расти быстрее с поверхностей призмы (S2), на случайно нарушенной поверхности быстрозамороженных или взволнованных озер. Рост от граней {1 1 -2 0}, по крайней мере, такой же, но превращает их в основания призмы. Данные о развитии кристалла льда были полностью исследованы. Относительные скорости роста элементов разных граней зависят от способности образовывать большую степень совместной гидратации. Температура (низкая) окружающей воды определяет степень разветвления в кристалле льда. Рост частиц ограничивается скоростью диффузии при низкой степени переохлаждения, то есть <2 ° C, что приводит к большему их количеству.

Но ограничено кинетикой развития при более высоких уровнях понижения градусов >4°C, что приводит к игольчатому росту. Эта форма схожа со строением сухого льда (имеет кристаллическую решетку с шестиугольной структурой), различными характеристиками развития поверхности и температурой окружающей (переохлажденной) воды, которая находится за плоскими формами снежинок.

Зарождение льда в атмосфере глубоко влияет на образование и свойства облаков. Полевые шпаты, обнаруженные в пустынной пыли, которая попадает в атмосферу миллионами тонн в год, являются важными образователями. Компьютерное моделирование показало, что это связано с зарождением плоскостей призматических кристаллов льда на плоскостях поверхности высоких энергий.

Некоторые другие элементы и решетки

Растворенные вещества (за исключением очень небольшого гелия и водорода, которые могут входить в междоузлия) не могут быть включены в структуру Ih при атмосферном давлении, но вытесняются на поверхность или аморфный слой между частицами микрокристаллического тела. В узлах кристаллической решетки сухого льда находятся некоторые иные элементы: хаотропные ионы, такие как NH 4 + и Cl - , которые включены в более легкое замораживание жидкости, чем другие космотропные, такие как Na + и SO 4 2- , поэтому удаление их невозможно, ввиду того, что они образуют тонкую пленку из оставшейся жидкости между кристаллами. Это может привести к электрической зарядке поверхности из-за диссоциации поверхностной воды, уравновешивающей оставшиеся заряды (что также может привести к магнитному излучению) и изменению рН остаточных жидких пленок, например, NH 4 2 SO 4 становится более кислым и NaCl становится более щелочным.

Они перпендикулярны граням кристаллической решетке льда, показывающей присоединенный следующий слой (с атомами О-черный). Им характерна медленно растущая базальная поверхность {0 0 0 1}, где прикрепляются только изолированные молекулы воды. Быстро растущая {1 0 -1 0} поверхность призмы, где пары вновь присоединенных частиц могут связываться друг с другом водородом (одна его связь/две молекулы элемента). Наиболее быстро растущая грань {1 1 -2 0} (вторичная призматика), где цепочки вновь присоединенных частиц могут взаимодействовать друг с другом водородной связью. Одна ее цепочка/ молекула элемента - это форма, образующая хребты, которые делят и поощряют превращение в две стороны призмы.

Энтропия нулевой точки

k B ˣ Ln (N

Ученые и их труды в этой сфере

Может быть определена, как S 0 = k B ˣ Ln (N E0), где k B - это постоянная Больцмана, N E - эточисло конфигураций при энергии E, а E0 - наименьшая энергия. Это значение для энтропии гексагонального льда при нулевом кельвине не нарушает третьего закона термодинамики «Энтропия идеального кристалла при абсолютном нуле ровно равна нулю», поскольку эти элементы и частицы не идеальны, имеют неупорядоченное водородное связывание.

В этом теле водородная связь является случайной и быстро меняющейся. Эти структуры не точно равны по энергии, а распространяются на очень большое количество энергетически близких состояний, подчиняются «правилам льда». Энтропия нулевой точки - это беспорядок, который оставался бы, даже если материал мог бы быть охлажден до абсолютного нуля (0 K = -273,15 ° C). Порождает экспериментальную путаницу для гексагонального льда 3,41 (± 0,2) ˣ моль -1 ˣ K -1 . Теоретически, можно было бы вычислить нулевую энтропию известных ледяных кристаллов с гораздо большей точностью (пренебрегая дефектами и разбросом энергетических уровней), чем определить ее экспериментально.

Хотя порядок протонов в объемном льду не упорядочен, поверхность, вероятно, предпочитает порядок указанных частиц в виде полос свисающих Н-атомов и О-одиночных пар (нулевая энтропия с упорядоченными водородными связями). Найден беспорядок нулевой точки ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 и других. Из всего вышеизложенного видно и понятно, какие типы кристаллических решеток характерны для льда.

Понятие молекулы (и производные от него представления о молекулярном строении вещества, структуры собственно молекулы) позволяет понимать свойства веществ создающих мир. Современные, как и ранние, физико-химические исследования опираются и базируются на грандиозном открытие об атомно-молекулярном строении вещества. Молекула – единая «деталь» всех веществ, существование которой предположил ещё Демокрит. Потому именно её структура и взаимосвязь с другими молекулами (образуя определенное строение и состав) и определяет/объясняет все различия между веществами, их видом и свойствами.

Сама молекула, будучи не самой мельчайшей составной частью вещества (коей является атом) имеет определенную структуру, свойства. Определяется структура молекулы числом вхожих в неё определенных атомов и характером связи (ковалентной) между ними. Состав этот неизменен, даже если вещество преобразуется в другое состояние(как примеру, происходит с водой – об этом пойдет речь дальше).

Молекулярное строение вещества фиксируется формулой, которая сообщает информацию об атомах, их количестве. Кроме того, молекулы составляющие вещество/тело не статичны: и сами являются подвижными – атомы вращаются, взаимодействуя между собой (притягиваются/отталкиваются).

Характеристики воды, её состояния

Состав такого вещества, как вода (равно как и её химическая формула) знаком каждому. Каждую её молекулу составляют три атома: атом кислорода, обозначающийся буквой «О», и атомы водорода – латинская «Н», в количестве 2-х. Форма молекулы воды не симметрична (схожа с равнобедренным треугольником).

Вода, как вещество, составляющие её молекулы, реагирует на внешнюю «обстановку», показатели окружающей среды — температуру, давление. Зависимо от последних вода способна изменять состояние, которых три:

1. Наиболее привычное, естественное для воды состояние жидкое. Молекулярная структура (дигидроль) своеобразного порядка, при котором одиночные молекулы заполняют (водородными связями) пустоты.
2. Состояние пара, при котором молекулярная структура (гидроль) представлена одиночными молекулами между которыми не образуются водородные связи.
3. Твердое состояние (собственно лед), имеет молекулярную структуру (тригидроль) с прочными и устойчивыми водородными связями.

Помимо данных различий, естественно, разнятся и способы «перехода» вещества из одного состояния (жидкого) в другие. Эти переходы и трансформируют вещество, и провоцируют передачу энергии (выделение/поглощение). Среди них есть процессы прямые – преобразование жидкой воды в пар (испарение), в лед (замерзание) и обратные – в жидкость из пара (конденсация), из льда (таяние). Также и состояния воды — парообразное и лед — могут трансформироваться друг в друга: возгонка – лед в пар, сублимация – обратный процесс.

Специфичность льда как состояния воды

Широко известно, что лед замерзает (трансформируется из воды) при пересечении температурой в сторону уменьшения границы в ноль градусов. Хотя, в этом всем понятном явлении, есть свои нюансы. К примеру, состояние льда неоднозначно, различны его виды, модификации. Отличаются они первоочередно условиями, при которых возникают – температурой, давлением. Таких модификаций насчитывается аж пятнадцать.

Лед в разных своих видах имеет различное молекулярное строение (молекулы же неотличимы от молекул воды). Природный и естественный лед, в научной терминологии обозначающийся как лед Ih — вещество с кристаллической структурой. То есть, каждая молекула с четырьмя окружающими её «соседками» (расстояние между всеми равное) создают геометрическую фигуру тетраэдр. Другие фазы льда обладают более сложной структурой, к примеру высокоупорядоченная структура тригонального, кубического или моноклинного льда.

Основные отличия льда от воды на молекулярном уровне

Первое и напрямую не относящееся к молекулярному строению воды и льда различие между ними – показатель плотности вещества. Кристаллическая структура, присущая льду, образовываясь, способствует одновременному уменьшению плотности (с показателя почти в 1000 кг/м³ до 916,7 кг/м³). А это стимулирует увеличение объема на 10%.


Основное же отличие в молекулярном строении этих агрегатных состояний воды (жидкого и твердого) в количестве, виде и силе водородных связей между молекулами . Во льду же (твердом состоянии) ими объединены пять молекул, а собственно связи водородные прочнее.

Сами молекулы веществ воды и льда, как упоминалось ранее, одинаковы. Но в молекулах льда атом кислорода (для создания кристаллической «решетки» вещества) образовывает водородные связи (две) с молекулами-«соседками».

Отличает вещество воды в разных её состояниях (агрегатных) не только структура расположения молекул (молекулярное строение), но и движение их, сила взаимосвязи/притяжения между ними. Молекулы воды в жидком состоянии достаточно слабо притягиваются, обеспечивая текучесть воды. В твердом же льду наиболее сильно притяжение молекул, потому и мала их двигательная активность (она обеспечивает постоянство формы льда).

Вода - вещество привычное и необычное. Почти 3/4 поверхности нашей планеты занято океанами и морями. Твёрдой водой - снегом и льдом - покрыто 20% суши. От воды зависит климат планеты. Геофизики утверждают, что Земля давно бы остыла и превратилась в безжизненный кусок камня, если бы не вода. У неё очень большая теплоёмкость. Нагреваясь, она поглощает тепло; остывая, отдаёт его. Земная вода и поглощает, и возвращает очень много тепла и тем самым "выравнивает" климат. А от космического холода предохраняет Землю те молекулы воды, которые рассеяны в атмосфере - в облаках и в виде паров.

Вода – самое загадочное вещество в природе после ДНК, обладающее уникальными свойствами, которые не только ещё полностью не объяснены, но далеко не все известны. Чем дольше ее изучают, тем больше находят новых аномалий и загадок в ней. Большинство из этих аномалий, обеспечивающих возможность жизни на Земле, объясняются наличием между молекулами воды водородных связей, которые много сильнее вандерваальсовских сил притяжения между молекулами других веществ, но на порядок величины слабее ионных и ковалентных связей между атомами в молекулах. Такие же водородные связи также присутствуют и в молекуле ДНК.

Молекула воды (H 2 16 O) состоит из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (16 O). Оказывается, что едва ли не все многообразие свойств воды и необычность их проявления определяется, в конечном счете, физической природой этих атомов, способом их объединения в молекулу и группировкой образовавшихся молекул.

Рис. Строение молекулы воды . Геометрическая схема (а), плоская модель (б) и пространственная электронная структура (в) мономера H2O. Два из четырех электронов внешней оболочки атома кислорода участвуют в создании ковалентных связей с атомами водорода, а два других образуют сильно вытянутые электронные орбиты, плоскость которых перпендикулярна плоскости Н-О-Н.

Молекула воды H 2 O построена в виде треугольника: угол между двумя связками кислород - водород 104 градуса. Но поскольку оба водородных атома расположены по одну сторону от кислорода, электрические заряды в ней рассредоточиваются. Молекула воды полярная, что является причиной особого взаимодействия между разными её молекулами. Атомы водорода в молекуле H 2 O, имея частичный положительный заряд, взаимодействуют с электронами атомов кислорода соседних молекул. Такая химическая связь называется водородной. Она объединяет молекулы H 2 O в своеобразные ассоциаты пространственного строения; плоскость, в которой расположены водородные связи, перпендикулярны плоскости атомов той же молекулы H 2 O. Взаимодействием между молекулами воды и объясняются в первую очередь незакономерно высокие температуры её плавления и кипения. Нужно подвести дополнительную энергию, чтобы расшатать, а затем разрушить водородные связи. И энергия эта очень значительна. Вот почему так велика теплоёмкость воды.

В молекуле воды имеются две полярные ковалентные связи Н–О. Они образованы за счёт перекрывания двух одноэлектронных р - облаков атома кислорода и одноэлектронных S - облаков двух атомов водорода.

В соответствии с электронным строением атомов водорода и кислорода молекула воды располагает четырьмя электронными парами. Две из них участвуют в образовании ковалентных связей с двумя атомами водорода, т.е. являются связывающими. Две другие электронные пары являются свободными - не связывающими. Они образуют электронное облако. Облако неоднородно – в нем можно различить отдельные сгущения и разрежения.

В молекуле воды имеются четыре полюс зарядов: два - положительные и два - отрицательные. Положительные заряды сосредоточены у атомов водорода, так как кислород электроотрицательнее водорода. Два отрицательных полюса приходятся на две не связывающие электронные пары кислорода.

У кислородного ядра создается избыток электронной плотности. Внутренняя электронная пара кислорода равномерно обрамляет ядро: схематически она представлена окружностью с центром -ядром O 2- . Четыре внешних электрона группируются в две электронные пары, тяготеющие к ядру, но частично не скомпенсированные. Схематически суммарные электронные орбитали этих пар показаны в виде эллипсов, вытянутых от общего центра – ядра O 2- . Каждый из оставшихся двух электронов кислорода образует пару с одним электроном водорода. Эти пары также тяготеют к кислородному ядру. Поэтому водородные ядра – протоны – оказываются несколько оголенными, и здесь наблюдается недостаток электронной плотности.

Таким образом, в молекуле воды различают четыре полюса зарядов: два отрицательных (избыток электронной плотности в области кислородного ядра) и два положительных (недостаток электронной плотности у двух водородных ядер). Для большей наглядности можно представить, что полюса занимают вершины деформированного тетраэдра, в центре которого находится ядро кислорода.

Рис. Строение молекулы воды: а – угол между связями O-H; б – расположение полюсов заряда; в – внешний вид электронного облака молекулы воды.

Почти шарообразная молекула воды имеет заметно выраженную полярность, так как электрические заряды в ней расположены асимметрично. Каждая молекула воды является миниатюрным диполем с высоким дипольным моментом – 1,87 дебая. Дебай – внесистемная единица электрического дипольного 3,33564·10 30 Кл·м. Под воздействием диполей воды в 80 раз ослабевают межатомные или межмолекулярные силы на поверхности погруженного в нее вещества. Иначе говоря, вода имеет высокую диэлектрическую проницаемость, самую высокую из всех известных нам соединений.

Во многом благодаря этому, вода проявляет себя как универсальный растворитель. Ее растворяющему действию в той или иной мере подвластны и твердые тела, и жидкости, и газы.

Удельная теплоемкость воды наибольшая среди всех веществ. Кроме того, она в 2 раза выше, чем у льда, в то время как у большинства простых веществ (например, металлов) в процессе плавления теплоемкость практически не изменяется, а у веществ из многоатомных молекул она, как правило, уменьшается при плавлении.

Подобное представление о строении молекулы позволяет объяснить многие свойства воды, в частности структуру льда. В кристаллической решётке льда каждая из молекул окружена четырьмя другими. В плоскостном изображении это можно представить так:

Связь между молекулами осуществляется посредством атома водорода. Положительно заряженный атом водорода одной молекулы воды притягивается к отрицательно заряженному атому кислорода другой молекулы воды. Такая связь получила название водородной (её обозначают точками). По прочности водородная связь примерно в 15 - 20 раз слабее ковалентной связи. Поэтому водородная связь легко разрывается, что наблюдается, например, при испарении воды.

Рис. слева - Водородные связи между молекулами воды

Структура жидкой воды напоминает структуру льда. В жидкой воде молекулы также связаны друг с другом посредством водородных связей, однако структура воды менее "жёсткая", чем у льда. Вследствие теплового движения молекул в воде одни водородные связи разрываются, другие образуются.

Рис. Кристаллическая решётка льда. Молекулы воды H 2 O (чёрные шарики) в её узлах расположены так, что каждая имеет четырёх „соседок".

Полярность молекул воды, наличие в них частично нескомпенсированных электрических зарядов порождает склонность к группировке молекул в укрупненные «сообщества» – ассоциаты. Оказывается, полностью соответствует формуле Н2O лишь вода, находящаяся в парообразном состоянии. Это показали результаты определения молекулярной массы водяного пара. В температурном интервале от 0 до 100°С концентрация отдельных (мономерных молекул) жидкой воды не превышает 1%. Все остальные молекулы воды объединены в ассоциаты различной степени сложности, и их состав описывается общей формулой (H 2 O)x.

Непосредственной причиной образования ассоциатов являются водородные связи между молекулами воды. Они возникают между ядрами водорода одних молекул и электронными «сгущениями» у ядер кислорода других молекул воды. Правда, эти связи в десятки раз слабее, чем «стандартные» внутримолекулярные химические связи, и достаточно обычных движений молекул, чтобы разрушить их. Но под влиянием тепловых колебаний так же легко возникают и новые связи этого типа. Возникновение и распад ассоциатов можно выразить схемой:

x·H 2 O↔ (H 2 O) x

Поскольку электронные орбитали в каждой молекуле воды образуют тетраэдрическую структуру, водородные связи могут упорядочить расположение молекул воды в виде тетраэдрических координированных ассоциатов.

Большинство исследователей объясняют аномально высокую теплоемкость жидкой воды тем, что при плавлении льда его кристаллическая структура разрушается не сразу. В жидкой воде сохраняются водородные связи между молекулами. В ней остаются как бы обломки льда - ассоциаты из большого или меньшего числа молекул воды. Однако в отличие от льда каждый ассоциат существует недолго. Постоянно происходит разрушение одних и образование других ассоциатов. При каждом значении температуры в воде устанавливается свое динамическое равновесие в этом процессе. А при нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей в ассоциатах. При этом на разрыв каждой связи расходуется 0,26-0,5 эВ. Этим и объясняется аномально высокая теплоемкость воды по сравнению с расплавами других веществ, не образующих водородных связей. При нагревании таких расплавов энергия расходуется только на сообщение тепловых движений их атомам или молекулам. Водородные связи между молекулами воды полностью разрываются только при переходе воды в пар. На правильность такой точки зрения указывает и то обстоятельство, что удельная теплоемкость водяного пара при 100°С практически совпадает с удельной теплоемкостью льда при 0°С.

Рисунок ниже:

Элементарным структурным элементом ассоциата является кластер: Рис. Отдельный гипотетический кластер воды. Отдельные кластеры образуют ассоциаты молекул воды (H 2 O) x: Рис. Кластеры из молекул воды образуют ассоциаты.

Существует и другая точка зрения на природу аномально высокой теплоемкости воды. Профессор Г. Н. Зацепина заметила, что молярная теплоемкость воды, составляющая 18 кал/(мольград), точно равна теоретической молярной теплоемкости твердого тела с трехатомными кристаллами. А в соответствии с законом Дюлонга и Пти атомные теплоемкости всех химически простых (одноатомных) кристаллических тел при достаточно высокой температуре одинаковы и равны 6 калДмоль o град). А для трехатомных, в граммоле которых содержится 3 N а узлов кристаллической решетки, - в 3 раза больше. (Здесь N а - число Авогадро).

Отсюда следует, что вода является как бы кристаллическим телом, состоящим из трехатомных молекул Н 2 0. Это соответствует распространенному представлению о воде как смеси кристаллоподобных ассоциатов с небольшой примесью свободных молекул H 2 O воды между ними, число которых растет с повышением температуры. С этой точки зрения вызывает удивление не высокая теплоемкость жидкой воды, а низкая твердого льда. Уменьшение удельной теплоемкости воды при замерзании объясняется отсутствием поперечных тепловых колебаний атомов в жесткой кристаллической решетке льда, где у каждого протона, обуславливающего водородную связь, остается только одна степень свободы для тепловых колебаний вместо трех.

Но за счет чего и как могут происходить столь большие изменения теплоемкости воды без соответствующих изменений давления? Чтобы ответить на этот вопрос, познакомимся с гипотезой кандидата геолого-минералогических наук Ю. А. Колясникова о структуре воды.

Он указывает, что еще первооткрыватели водородных связей Дж. Бернал и Р. Фаулер в 1932 г. сравнивали структуру жидкой воды с кристаллической структурой кварца, а те ассоциаты, о которых говорилось выше, - это в основном тетрамеры 4Н 2 0, в которых четыре молекулы воды соединены в компактный тетраэдр с двенадцатью внутренними водородными связями. В результате образуется четырёхгранная пирамида - тетраэдр.

При этом, водородные связи в этих тетрамерах могут образовывать как право- так и левовинтовую последовательности, подобно тому, как кристаллы широко распространённого кварца (Si0 2), тоже имеющие тетраэдрическую структуру, бывают право- и лево-вращательной кристаллической форм. Поскольку каждый такой тетрамер воды имеет еще и четыре незадействованные внешние водородные связи (как у одной молекулы воды), то тетрамеры могут соединяться этими внешними связями в своего рода полимерные цепочки, наподобие молекулы ДНК. А поскольку внешних связей всего четыре, а внутренних - в 3 раза больше, то это позволяет тяжелым и прочным тетрамерам в жидкой воде изгибать, поворачивать и даже надламывать эти ослабленные тепловыми колебаниями внешние водородные связи. Это и обуславливает текучесть воды.

Такую структуру вода, по мнению Колясникова, имеет только в жидком состоянии и, возможно, частично в парообразном. А вот во льду, кристаллическая структура, которого хорошо изучена, тетрагидроли соединены между собой негибкими равнопрочными прямыми водородными связями в ажурный каркас с большими пустотами в нем, что делает плотность льда меньше плотности воды.

Рис. Кристаллическая структура льда: молекулы воды соединены в правильные шестиугольники

Когда же лед тает, часть водородных связей в нем ослабевает и изгибается, что ведет к перестройке структуры в вышеописанные тетрамеры и делает жидкую воду более плотной, чем лед. При 4°С наступает состояние, когда все водородные связи между тетрамерами максимально изогнуты, чем и обуславливается максимум плотности воды при этой температуре. Дальше связям гнуться некуда.

При температуре выше 4°С начинается разрывание отдельных связей между тетрамерами, и при 36-37°С оказывается разорвана половина внешних водородных связей. Это и определяет минимум на кривой зависимости удельной теплоемкости воды от температуры. При температуре же 70°С разорваны уже почти все межтетрамерные связи, и наряду со свободными тетрамерами в воде остаются только короткие обрывки "полимерных" цепочек из них. Наконец при кипении воды происходит окончательный разрыв теперь уже одиночных тетрамеров на отдельные молекулы Н 2 0. И то обстоятельство, что удельная теплота испарения воды ровно в 3 раза больше суммы удельных теплот плавления льда и последующего нагрева воды до 100°С, является подтверждением предположения Колясникова о том. что число внутренних связей в тетрамере в 3 раза больше числа внешних.

Такая тетраэдрально-винтовая структура воды может быть обусловлена ее древней реологической связью с кварцем и другими кремнекислородными минералами, преобладающими в земной коре, из недр которой когда-то появилась вода на Земле. Как маленький кристаллик соли заставляет окружающий его раствор кристаллизоваться в подобные ему кристаллы, а не в другие, так кварц заставил молекулы воды выстраиваться в тетраэдрические структуры, которые, энергетически наиболее выгодны. А в нашу эпоху в земной атмосфере водяные пары, конденсируясь в капли, образуют такую структуру потому, что в атмосфере всегда присутствуют мельчайшие капельки аэрозольной воды, уже имеющей эту структуру. Они и являются центрами конденсации водяных паров в атмосфере. Ниже приведены возможные цепочечные силикатные структуры на основе тетраэдра, которые могут быть составлены и из тетраэдров воды.

Рис. Элементарный правильный кремне-кислородный тетраэдр SiO 4 4- .

Рис. Элементарные кремнекислородные единицы-ортогруппы SiO 4 4- в структуре Mg-пироксена энстатите (а) и диортогруппы Si 2 O 7 6- в Са-пироксеноиде волластоните (б).

Рис. Простейшие типы островных кремнекислородных анионных группировок: а-SiO 4 , б-Si 2 O 7 , в-Si 3 O 9 , г-Si 4 О 12 , д-Si 6 O 18 .

Рис. ниже - Важнейшие типы кремнекислородных цепочечных анионных группировок (по Белову): а-метагерманатная, б - пироксеновая, в - батиситовая, г-волластонитовая, д-власовитовая, е-мелилитовая, ж-родонитовая, з-пироксмангитовая, и-метафосфатная, к-фторобериллатная, л - барилитовая.

Рис. ниже - Конденсация пироксеновых кремнекислородных анионов в сотовые двухрядные амфиболовые (а), трехрядные амфиболоподобные (б), слоистые тальковые и близкие им анионы (в).

Рис. ниже - Важнейшие типы ленточных кремнекислородных группировок (по Белову): а - силлиманитовая, амфиболовая, ксонотлитовая; б-эпидидимитовая; в-ортоклазовая; г-нарсарсукитовая; д-фенакитовая призматическая; е-эвклазовая инкрустированная.

Рис. справа - Фрагмент (элементарный пакет) слоистой кристаллической структуры мусковита KAl 2 (AlSi 3 O 10 XOH) 2 , иллюстрирующий переслаивание алюмокремне-кислородных сеток с полиэдрическими слоями крупных катионов алюминия и калия, напоминает цепочку ДНК.

Возможны и другие модели водной структуры. Тетраэдрически связанные молекулы воды образуют своеобразные цепочки довольно стабильного состава. Исследователи раскрывают все более тонкие и сложные механизмы «внутренней организации» водной массы. Кроме льдоподобной структуры, жидкой воды и мономерных молекул, описан и третий элемент структуры – нететраэдрической.

Определенная часть молекул воды ассоциирована не в трехмерные каркасы, а в линейные кольцевые объединения. Кольца, группируясь, образуют еще более сложные комплексы ассоциатов.

Таким образом, вода теоретически может образовывать цепочки, наподобие молекулы ДНК, о чём будет сказано ниже. В этой гипотезе интересно еще и то, что из нее следует равновероятность существования право - и левовинтовой воды. Но биологами давно подмечено, что в биологических тканях и структурах наблюдаются только либо лево -, либо правовинтовые образования. Пример тому - белковые молекулы, построенные только из лево-винтовых аминокислот и закрученные только по левовинтовой спирали. А вот сахара в живой природе - все только правовинтовые. Никто пока не смог объяснить, почему в живой природе обнаруживается такое предпочтение к левому в одних случаях и к правому - в других. Ведь в неживой природе с равной вероятностью встречаются как право-, так и левовинтовые молекулы.

Более ста лет назад знаменитый французский естествоиспытатель Луи Пастер обнаружил, что органические соединения в составе растений и животных оптически асимметричны - они вращают плоскость поляризации падающего на них света. Все аминокислоты, входящие в состав животных и растений, вращают плоскость поляризации влево, а все сахара - вправо. Если мы синтезируем такие же по химическому составу соединения, то в каждом из них будет равное количество лево- и правовращающих молекул.

Как известно, все живые организмы состоят из белков, а они, в свою очередь, - из аминокислот. Соединяясь друг с другом в разнообразной последовательности, аминокислоты образуют длинные пептидные цепи, которые самопроизвольно "закручиваются" в сложные белковые молекулы. Подобно многим другим органическим соединениям, аминокислоты обладают хиральной симметрией (от греч. хирос - рука), то есть могут существовать в двух зеркально симметричных формах, называемых "энантиомеры". Такие молекулы похожи одна на другую, как левая и правая рука, поэтому их называют D- и L-молекулами (от лат. dexter, laevus - правый и левый).

Теперь представим себе, что среда с левыми и правыми молекулами перешла в состояние только с левыми или только с правыми молекулами. Такую среду специалисты называют хирально (от греческого слова "хейра" - рука) упорядоченной. Самовоспроизведение живого (биопоэз - по определению Д. Бернала) могло возникнуть и поддерживаться только в такой среде.

Рис. Зеркальная симметрия в природе

Другое название молекул-энантиомеров - "правовращающие" и "левовращающие" - происходит от их способности вращать плоскость поляризации света в различных направлениях. Если линейно поляризованный свет пропустить через раствор таких молекул, происходит поворот плоскости его поляризации: по часовой стрелке, если молекулы в растворе правые, и против - если левые. А в смеси одинаковых количеств D-и L-форм (она называется "рацемат") свет сохранит первоначальную линейную поляризацию. Это оптическое свойство хиральных молекул впервые было обнаружено Луи Пастером в 1848 году.

Любопытно, что почти все природные белки состоят только из левых аминокислот. Этот факт тем более удивляет, что при синтезе аминокислот в лабораторных условиях образуется примерно одинаковое число правых и левых молекул. Оказывается, этой особенностью обладают не только аминокислоты, но и многие другие важные для живых систем вещества, причем каждое имеет строго определенный знак зеркальной симметрии во всей биосфере. Например, сахара, входящие в состав многих нуклеотидов, а также нуклеиновых кислот ДНК и РНК, представлены в организме исключительно правыми D-молекулами. Хотя физические и химические свойства "зеркальных антиподов" совпадают, их физиологическая активность в организмах различна: L-caxaра не усваиваются, L-фенилаланин в отличие от безвредных его D-молекул вызывает психические заболевания и т. д.

Согласно современным представлениям о происхождении жизни на Земле, выбор органическими молекулами определенного типа зеркальной симметрии послужил главной предпосылкой их выживания и последующего самовоспроизводства. Однако вопрос, как и почему произошел эволюционный отбор того или иного зеркального антипода, - до сих пор остается одной из самых больших загадок науки.

Советский ученый Л. Л. Морозов доказал, что переход к хиральной упорядоченности мог произойти не эволюционно, а только при каком-то определённом резком фазовом изменении. Академик В. И. Гольданский назвал этот переход, благодаря которому зародилась жизнь на Земле хиральной катастрофой.

Как же возникли условия для фазовой катастрофы, вызвавшей хиральный переход?

Наиболее важным было то, что органические соединения плавились при 800-1000 0С в земной коре, а верхние остывали до температуры космоса, то есть абсолютного нуля. Перепад температуры достигал 1000 °С. В таких условиях органические молекулы плавились под действием высокой температуры и даже полностью разрушались, а верх оставался холодным, так как органические молекулы замораживались. Газы и пары воды, которые просачивались из земной коры, меняли химический состав органических соединений. Газы несли с собой тепло, из-за чего граница плавления органического слоя смещалась вверх и вниз, создавая градиент.

При очень низких давлениях атмосферы вода была на земной поверхности лишь в виде пара и льда. Когда же давление достигало так называемой тройной точки воды (0,006 атмосферы), вода впервые смогла находиться в виде жидкости.

Конечно, лишь экспериментально можно доказать, что именно вызвало хиральный переход: земные или космические причины. Но так или иначе в какой-то момент хирально упорядоченные молекулы (а именно - левовращающие аминокислоты и правовращающие сахара) оказались более устойчивыми и начался неостановимый рост их количества - хиральный переход.

Летопись планеты повествует и о том, что тогда на Земле не было ни гор, ни впадин. Полурасплавленная гранитная кора представляла собой поверхность столь же ровную, как уровень современного океана. Однако в пределах этой равнины все же были понижения из-за неравномерного распределения масс внутри Земли. Эти понижения сыграли чрезвычайно важную роль.

Дело в том, что плоскодонные впадины поперечником в сотни и даже тысячи километров и глубиной не более ста метров, вероятно, и стали колыбелью жизни. Ведь в них стекала вода, собиравшаяся на поверхности планеты. Вода разбавляла хиральные органические соединения в пепловом слое. Постепенно менялся химический состав соединения, стабилизировалась температура. Переход от неживого к живому, начавшийся в безводных условиях, продолжался уже в водной среде.

Таков ли сюжет зарождения жизни? Вероятнее всего, что да. В геологическом разрезе Исуа (Западная Гренландия), возраст которого 3,8 миллиарда лет, найдены бензино- и нефтеподобные соединения с изотопным соотношением С12/С13, свойственным углероду фотосинтетического происхождения.

Если биологическая природа углеродистых соединений из разреза Исуа подтвердится, то получится, что весь период зарождения жизни на Земле - от возникновения хиральной органики до появления клетки, способной к фотосинтезу и размножению,- был пройден лишь за сто миллионов лет. И в этом процессе огромную роль сыграли молекулы воды и ДНК.

Самое удивительное в структуре воды заключается в том, что молекулы воды при низких отрицательных температурах и высоких давлениях внутри нанотрубок могут кристаллизоваться в форме двойной спирали, напоминающую ДНК. Это было доказано компьютерными экспериментами американских учёных под руководством Сяо Чэн Цзэна в Университете штата Небраска (США).

ДНК представляет собой двойную цепочку, скрученную в спираль. Каждая нить состоит из "кирпичиков" - из последовательно соединенных нуклеотидов. Каждый нуклеотид ДНК содержит одно из четырёх азотистых оснований - гуанин (G), аденин (A) (пурины), тимин (T) и цитозин (C) (пиримидины), связанное с дезоксирибозой, к последней, в свою очередь, присоединена фосфатная группа. Между собой соседние нуклеотиды соединены в цепи фосфодиэфирной связью, образованной 3"-гидроксильной (3"-ОН) и 5"-фосфатной группами (5"-РО3). Это свойство обуславливает наличие полярности в ДНК, т.е. противоположной направленности, а именно 5"- и 3"-концов: 5"-концу одной нити соответствует 3"-конец второй нити. Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции и принимают участие в важнейшем процессе жизни – передачи и копирования информации (трансляции).

Первичная структура ДНК - это линейная последовательность нуклеотидов ДНК в цепи. Последовательность нуклеотидов в цепи ДНК записывают в виде буквенной формулы ДНК: например - AGTCATGCCAG, запись ведется с 5"- на 3"-конец цепи ДНК.

Вторичная структура ДНК образуется за счет взаимодействий нуклеотидов (в большей степени азотистых оснований) между собой, водородных связей. Классический пример вторичной структуры ДНК - двойная спираль ДНК. Двойная спираль ДНК - самая распространенная в природе форма ДНК, состоящая из двух полинуклеотидных цепей ДНК. Построение каждой новой цепи ДНК осуществляется по принципу комплементарности, т.е. каждому азотистому основанию одной цепи ДНК соответствует строго определенное основание другой цепи: в комплемнтарной паре напротив A стоит T, а напротив G располагается C и т.д.

Чтобы вода сформировала спираль, наподобие, в моделируемом эксперименте она "помещалась" в нанотрубки под высоким давлением, варьирующимися в разных опытах от 10 до 40000 атмосфер. После этого задавали температуру, которая имела значение -23°C. Запас по сравнению с температурой замерзания воды делался в связи с тем, что с повышением давления температура плавления водяного льда понижается. Диаметр нанотрубок составлял от 1,35 до 1,90 нм.

Рис. Общий вид структуры воды (изображение New Scientist)

Молекулы воды связываются между собой посредством водородных связей, расстояние между атомами кислорода и водорода равно 96 пм, а между двумя водородами - 150 пм. В твёрдом состоянии атом кислорода участвует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды. При этом отдельные молекулы H 2 O соприкасаются друг с другом разноимёнными полюсами. Таким образом, образуются слои, в которых каждая молекула связана с тремя молекулами своего слоя и одной из соседнего. В результате, кристаллическая структура льда состоит из шестигранных "трубок" соединенных между собой, как пчелиные соты.

Рис. Внутренняя стенка структуры воды (изображение New Scientist)

Учёные ожидали увидеть, что вода во всех случаях образует тонкую трубчатую структуру. Однако, модель показала, что при диаметре трубки в 1,35 нм и давлении в 40000 атмосфер водородные связи искривились, приведя к образованию спирали с двойной стенкой. Внутренняя стенка этой структуры является скрученной в четверо спиралью, а внешняя состоит из четырёх двойных спиралей, похожих на структуру молекулы ДНК.

Последний факт накладывает отпечаток не только на эволюцию наших представлений о воде, но и эволюцию ранней жизни и самой молекулы ДНК. Если предположить, что в эпоху зарождения жизни криолитные глинистые породы имели форму нанотрубок, возникает вопрос - не могла ли вода, сорбированная в них служить структурной основой (матрицей) для синтеза ДНК и считывания информации? Возможно, поэтому спиральная структура ДНК повторяет спиральную структуру воды в нанотрубках. Как сообщает журнал New Scientist, теперь нашим зарубежным коллегам предстоит подтвердить существование таких макромолекул воды в реальных экспериментальных условиях с использованием инфракрасной спектроскопии и спектроскопии нейтронного рассеяния.

К.х.н. О.В. Мосин

Работа 1

Снежинки как явление физики

Работу выполнил Холодяков Даниил

Цели: узнать больше о снежинках с точки зрения МКТ

Задачи: разобраться в природе образования снежинок

1. Формирование снежинок

2. Формы снежинок

3. Симметрия кристаллов

4. Одинаковые снежинки

5. Цвет и свет

6. Дополнительные материалы

1. Вы когда-нибудь смотрели на снежинку и задавались вопросом, как она формируется и почему она отличается от других видов снега, увиденных вами ранее?

Снежинки - это особая форма водяного льда. Снежинки образуются в облаках, которые состоят из водяного пара. Когда температура стоит на отметке 32 ° F (0 ° C) или холоднее, воды превращается из жидкой формы в лед. Несколько факторов влияют на образование снежинок. Температура, воздушные потоки, влажность - всё это имеет влияние на их форму и размер. Грязь и пыль могут смешиваться в воде и изменять вес и долговечность кристаллов. Частицы грязи делают снежинку тяжелее, способны сделать ее подверженной таянью и могут вызвать трещины и разрывы в кристалле. Формирование снежинки является динамическим процессом. Снежинка может столкнуться со многими различными условиями окружающей среды, иногда плавясь, иногда вырастая - структура снежинки постоянно меняется.

2. Каковы наиболее распространенные формы снежинки?

Как правило, шестиугольные кристаллы формируются в высоких облаках;иглы или плоские шестисторонние кристаллы - в облаках средней высоты, а также широкое разнообразие шестисторонних форм формируются в низких облаках. Более холодные температуры создают снежинки с более резкими наконечниками по бокам кристаллов и могут привести к ветвлениям стрелок. Снежинки, появляющиеся в более теплых условиях, растут медленнее, что приводит к более гладкой и менее сложной форме.

0; -3 ° C - Тонкие гексагональные пластинки

3; -6° C - Иглы

6; -10 ° C - Полые колонны

10; -12 ° C - Секторные пластины (шестиугольники с углублениями)

12; -15 ° C - Дендриты (кружевные шестиугольные формы)

3. Почему снежинки симметричны?

Во-первых, не все снежинки одинаковы со всех сторон. Неровные температуры, наличие грязи и другие факторы могут привести к тому, что снежинка станет однобокой. Тем не менее, это правда, что многие снежинки симметричны и очень сложны в строении. Это потому, что форма снежинки отражает внутренний порядок молекул воды. Молекулы воды в твердом состоянии, например, снега и льда, образуют слабые связи (так называемые водородные связи) друг с другом. Эти упорядоченные механизмы приводят к симметричной, гексагональной форме снежинки. При кристаллизациимолекулы воды подчиняются максимальной силе притяжения, а силы отталкивания сводятся к минимуму. Следовательно, молекулы воды выстраиваются в заданных пространствах в определенном расположении, таком,чтобы занять пространство и сохранить симметрию.

4. Правда ли что не существует двух одинаковых снежинок?

И да, и нет. Никогда две снежинки не будут идентичны, вплоть до точного числа молекул воды, спина электронов, изотопов водорода и кислорода и т.д. С другой стороны, две снежинки могут выглядеть одинаково, и любая снежинка, вероятно, имела свой прототип в какой-то момент истории. Структура снежинки постоянно меняется в соответствии с условиями окружающей среды и под воздействием множества факторов,поэтому кажется маловероятным увидеть две одинаковых снежинки.

5. Если вода и лед прозрачны, то почему снег выглядит белым?

Короткий ответ состоит в том, что снежинки имеют так много светоотражающих поверхностей, что они рассеивают свет во всех его цветах, поэтому снег кажется белым. Длинный ответ связан с тем, как человеческий глаз воспринимает цвет. Даже несмотря на то, что источник света не может иметь по-настоящему «белый» цвет (например, солнечный свет, люминесцентные и лампы накаливания все имеют определенный цвет), человеческий мозг компенсирует источник света. Таким образом, даже при том, что солнечный свет желтый, и рассеянный от снега свет тоже желтый, мозг видит снег максимального белого цвета, потому что вся картина, полученная мозгом имеет желтый оттенок, который автоматически вычитается.

Выводы:

1. Снежинки - это особая форма водяного льда.

2. Температура, воздушные потоки, влажность - факторы влияющие на форму и размер снежинки.

3. Именно порядок молекул воды определяет симметричность снежинки.

им в реальных снежных кристаллах.

Работа 2

Лед и вода в природе .

Работу выполнила Гусева Алина

Цель :узнать что-нибудь новое.

Задачи :

Рассмотретьзначенияводы в природе;

Разобраться в свойствах и видах воды;

Ознакомиться с основными свойствами водного льда;

Расширить свои знания относительно воды в целом.

Вода (оксид водорода) - бинарное неорганическое соединение, химическая формула Н2O. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного - кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью. При нормальных условиях представляет собой прозрачную жидкость, не имеющую цвета, запаха и вкуса. В твёрдом состоянии называется льдом, снегом или инеем, а в газообразном - водяным паром. Вода также может существовать в виде жидких кристаллов.

Около 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озёра, реки, льды) - 361,13 млн км2. На Земле примерно 96,5 % воды приходится на океаны, (1,7 % мировых запасов составляют грунтовые воды, ещё 1,7 % на ледники и ледяные шапки Антарктиды и Гренландии, небольшая часть в реках, озёрах и болотах, и 0,001 % в облаках). Большая часть земной воды - солёная, и она непригодна для сельского хозяйства и питья. Доля пресной воды составляет около 2,5 %.

Вода является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы). Вода имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды. Является важнейшим веществом для всех живых существ на планете Земля.

В атмосфере нашей планеты вода находится в виде капель малого размера, в облаках и тумане, а также в виде пара. При конденсации выводится из атмосферы в виде атмосферных осадков (дождь, снег, град, роса). Вода чрезвычайно распространённое вещество в космосе, однако из-за высокого внутрижидкостного давления вода не может существовать в жидком состоянии в условиях вакуума космоса, отчего она представлена только в виде пара или льда.

Виды воды .

Вода на Земле может существовать в трёх основных состояниях - жидком, газообразном и твёрдом и приобретать различные формы, которые могут одновременно соседствовать друг с другом: водяной пар и облака в небе, морская вода и айсберги, ледники и реки на поверхности земли, водоносные слои в земле. Воду нередко подразделяют на типы по различным принципам. По особенностям происхождения, состава или применения, выделяют, в числе прочего: мягкую и жесткую воду - по содержанию катионов кальция и магния. По изотопам водорода в молекуле: лёгкую (по составу почти соответствует обычной), тяжёлую(дейтериевая), сверхтяжёлую вода (тритиевая). Также выделяют: пресную, дождевую, морскую, минеральную, солоноватую, питьевую, водопроводную, дистиллированную, деионизированную,апирогенную, святую, структурированную, талую, подземные, сточные и поверхностные воды.

Физические свойства.

Вода в нормальных условиях сохраняет жидкое агрегатное состояние , тогда как аналогичные водородные соединения являются газами (H2S, CH4, HF). Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По этой причине молекула воды обладает большим дипольным моментом (D = 1,84, уступает только синильной кислоте). При температуре перехода в твёрдое состояние молекулы воды упорядочиваются, в процессе этого объёмы пустот между молекулами увеличиваются и общая плотность воды падает, что и объясняет причину меньшей плотности воды в фазе льда . При испарении, напротив, рвутся все связи. Разрыв связей требует много энергии, отчего у воды самая большая удельная теплоёмкость среди прочих жидкостей и твёрдых веществ. Для того чтобы нагреть один литр воды на один градус, требуется затратить 4,1868 кДж энергии. Благодаря этому свойству вода нередко используется как теплоноситель. Помимо большой удельной теплоёмкости, вода также имеет большие значения удельной теплоты плавления (при 0 °C - 333,55 кДж/кг) и парообразования (2250 кДж/кг).

Вода обладает также высоким поверхностным натяжением среди жидкостей, уступая в этом только ртути. Относительно высокая вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями. Вода является хорошим растворителем полярных веществ . Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные - атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.Вода обладает отрицательным электрическим потенциалом поверхности .

Чистая вода - хороший изолятор . Поскольку вода - хороший растворитель , в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту.

Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60 % парникового эффекта.

Лёд - вода в твёрдом агрегатном состоянии. Льдом иногда называют некоторые вещества в твёрдом агрегатном состоянии, которым свойственно иметь жидкую или газообразную форму при комнатной температуре; в частности, сухой лёд, аммиачный лёд или метановый лёд.

Основные свойства водного льда .

В настоящее время известны три аморфных разновидности и 15 кристаллических модификаций льда. Ажурная кристаллическая структура такого льда приводит к тому, что его плотность,(равная 916,7 кг/м при 0 °C), ниже плотности воды (999,8 кг/м) при той же температуре. Поэтому вода, превращаясь в лёд, увеличивает свой объём примерно на 9 %. Лёд, будучи легче жидкой воды, образуется на поверхности водоёмов, что препятствует дальнейшему замерзанию воды.

Высокая удельная теплота плавления льда, равная 330 кДж/кг, служит важным фактором в обороте тепла на Земле. Так, чтобы растопить 1 кг льда или снега, нужно столько же тепла, сколько требуется, чтобы нагреть литр воды на 80 °C. Лёд встречается в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного), а также в виде снега, инея и т. д. Под действием собственного веса лёд приобретает пластические свойства и текучесть. Природный лёд обычно значительно чище, чем вода, так как при кристаллизации воды в первую очередь в решётку встают молекулы воды.

При нормальном атмосферном давлениивода переходит в твердое состояние при температуре в 0 °C и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100 °C. При снижении давления температура таяния (плавления) льда медленно растёт, а температура кипения воды - падает. При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01 °C. Такие давление и температура называются тройной точкой воды . При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура сублимации льда падает со снижением давления. При высоком давлении существуют модификации льда с температурами плавления выше комнатной.

При росте давления плотность водяного пара в точке кипения тоже растёт, а жидкой воды - падает. При температуре 374 °C (647 K) и давлении 22,064 МПа (218 атм) вода проходит критическую точку . В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают. При более высоком давлении и/или температуре исчезает разница между жидкой водой и водяным паром. Такое агрегатное состояние называют «сверхкритическая жидкость ».

Вода может находится в метастабильных состояниях - пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход. Например, можно получить переохлаждённую жидкость, охладив чистую воду в чистом сосуде ниже 0 °C, однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода быстро превращается в лёд.

Факты .

В среднем в организме растений и животных содержится более 50 % воды.

В составе мантии Земли воды содержится в 10-12 раз больше, чем количество воды в Мировом океане.

Если бы все ледники растаяли, то уровень воды в земных океанах поднялся бы на 64 м и около 1/8 поверхности суши было бы затоплено водой.

Иногда вода замерзает при положительной температуре.

При определённых условиях (внутри нанотрубок) молекулы воды образуют новое состояние, при котором они сохраняют способность течь даже при температурах, близких к абсолютному нулю.

Вода отражает 5 % солнечных лучей, в то время как снег - около 85 %. Под лёд океана проникает только 2 % солнечного света.

Синий цвет чистой океанской воды объясняется избирательным поглощением и рассеянием света в воде.

С помощью капель воды из кранов можно создать напряжение до 10 киловольт, опыт называется «Капельница Кельвина».

Вода - это одно из немногих веществ в природе, которые расширяются при переходе из жидкой фазы в твёрдую.

Выводы:

Вода сохраняет жидкое агрегатное состояние, обладает большим дипольным моментом, большой удельной теплоемкостью, значением парообразования, высоким поверхностным натяжением, отрицательным электрическим потенциалом поверхности, является хорошим изолятором и растворителем.

Литература

1. Вода // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). - СПб., 1890-1907.

2. Лосев К. С. Вода. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 272 с.

3. Гидробионты в самоочищении вод и биогенной миграции элементов. - М.: МАКС-Пресс. 2008. 200 с. Предисловие члена-корр. РАН В. В. Малахова. (Серия: Наука. Образование. Инновации. Выпуск 9). ISBN 978-5-317-02625-7.

4. О некоторых вопросах поддержания качества воды и её самоочищения // Водные ресурсы. 2005. т. 32. № 3. С. 337-347.

5. Андреев В. Г. Влияние протонного обменного взаимодействия на строение молекулы воды и прочность водородной связи. Материалы V Международной конференции «Актуальные проблемы науки в России». - Кузнецк 2008, т.3 С. 58-62.

К.х.н. О.В. Мосин

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА ВОДЫ В ТРЕХ ЕЕ АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЯХ

Вода, окись водорода, H 2 0, простейшее устойчивое в обычных условиях химическое соединение водорода с кислородом (11,19% водорода и 88,81% кислорода по массе). Вода – это бесцветная жидкость без запаха и вкуса (в толстых слоях имеет голубоватый цвет), которой принадлежит важнейшая роль в геологической истории Земли и возникновении жизни, в формировании физической и химической среды, климата и погоды на нашей планете. Вода - обязательный компонент практически всех технологических процессов - как сельскохозяйственного, так и промышленного производства.

Вода входит в состав всех живых организмов, причём в целом в них содержится лишь вдвое меньше воды, чем во всех реках Земли. В живых организмах количество воды, за исключением семян и спор, колеблется между 60 и 99,7% по массе. По словам французского биолога Э. Дюбуа-Реймона, живой организм есть l"eau animée (одушевлённая вода). Все воды Земли постоянно взаимодействуют между собой, а также с атмосферой, литосферой и биосферой.

Земной шар содержит около 16 млрд. км3 воды, что составляет 0,25 % массы всей нашей планеты. Из этого количества на долю гидросферы Земли (океаны, моря, озера, реки, ледники и подземные воды) приходится 1,386 млрд. км3. Пресные поверхностные воды (озера и реки) составляют всего лишь 0,2 млн. км3, а водяной пар атмосферы - 13 тыс. км3.

Общая масса распределенных по поверхности Земли снега и льда достигает примерно 2,5-3,0 x 1016 т, что составляет всего лишь 0,0004% массы всей нашей планеты. Однако, такого количества достаточно, чтобы покрыть всю поверхность Земного шара 53 метровым слоем, а если бы вся эта масса вдруг растаяла, превратившись в воду, то уровень Мирового Океана поднялся бы по сравнению с нынешним примерно на 64 метра.

Воды Земли пронизывают ее, начиная с самых больших высот стратосферы вплоть до огромных глубин земной коры, достигая мантии, и образуют непрерывную оболочку планеты - гидросферу, включающую в себя всю воду в жидком, твердом, газообразном, химически и биологически связном состоянии.

Гидросфера - водная оболочка Земли , включающая океаны, моря, озёра, водохранилища, реки, подземные воды, почвенную влагу, составляет около 1,4-1,5 млрд. км 3 , причём на долю воды суши приходится всего около 90 млн. км 3 . Из них подземные воды составляют 60, ледники 29, озёра 0,75, почвенная влага 0,075, реки 0,0012 млн. км 3 .

Гидросфера играла и играет основополагающую роль в геологической истории Земли, в формировании физической и химической среды, климата и погоды, в возникновении жизни на нашей планете. Она развивалась вместе и в тесном взаимодействии с литосферой, атмосферой, а затем и живой природой.

В атмосфере вода находится в виде пара, тумана и облаков, капель дождя и кристаллов снега (всего около 13-15 тыс. км 3). Около 10% поверхности суши постоянно занимают ледники. На севере и северо-востоке СССР, на Аляске и Севере Канады - общей площадью около 16 млн. км 2 всегда сохраняется подпочвенный слой льда (всего около 0,5 млн. км 3 .

В земной коре - литосфере содержится, по разным оценкам, от 1 до 1,3 млрд. км3 воды, что близко к содержанию её в гидросфере. В земной коре значительные количества воды находятся в связанном состоянии, входя в состав некоторых минералов и горных пород (гипс, гидратированные формы кремнезёма, гидросиликаты и др.). Огромные количества воды (13-15 млрд. км 3) сосредоточены в более глубоких недрах мантии Земли. Выход воды, выделявшейся из мантии в процессе разогревания Земли на ранних стадиях её формирования, и дал, по современным воззрениям, начало гидросфере. Ежегодное поступление воды из мантии и магматических очагов составляет около 1 км 3 .

Имеются данные о том, что вода, хотя бы частично, имеет «космическое» происхождение: протоны, пришедшие в верхнюю атмосферу от Солнца, захватив электроны, превращаются в атомы водорода, которые, соединяясь с атомами кислорода, дают H 2 O.

Вода встречается в природных условиях в трех состояниях: твердом - в виде льда и снега, жидком - в виде собственно воды, газообразном - в виде водяного пара. Эти состояния воды называют агрегатными состояниями, или соответственно твердой, жидкой и парообразной фазами. Переход воды из одной фазы в другую обусловлен изменением ее температуры и давления. На рис. 1 приведена диаграмма агрегатных состояний воды в зависимости от температуры t и давления P. Из рис.1. видно, что в области I вода находится только в твердом виде, в области II - только в жидком, в области III - только в виде водяного пара. Вдоль кривой AC она находится в состоянии равновесия между твердой и жидкой фазами (плавление льда и кристаллизация воды); вдоль кривой AB - в состоянии равновесия между жидкой и газообразной фазами (испарение воды и конденсация пара); вдоль кривой AD - в равновесии между твердой и газообразной фазами (сублимация водяного пара и возгонка льда).

Рис. 1. Диаграмма агрегатных состояний воды в области тройной точки А. I - лед. II - вода. III - водяной пар.

Равновесие фаз по рис.1 вдоль кривых AB, АС и AD надо понимать как динамическое равновесие, т. е. вдоль этих кривых число вновь образующихся молекул одной фазы строго равно числу вновь образующихся молекул другой фазы. Если, например, постепенно охлаждать воду при любом давлении, то в пределе окажемся на кривой AC, где будет наблюдаться вода при соответствующих температуре и давлении. Если постепенно нагревать лед при различном давлении, то окажемся на той же кривой равновесия АС, но со стороны льда. Аналогично будем иметь воду и водяной пар, в зависимости от того, с какой стороны будем подходить к кривой AB.

Все три кривые агрегатного состояния - АС (кривая зависимости температуры плавления льда от давления), АВ (кривая зависимости температуры кипения воды от давления), AD (кривая зависимости давления пара твердой фазы от температуры) - пересекаются в одной точке A, носящей название тройной точки. По современным исследованиям, значения давления насыщающих паров и температуры в этой точке соответственно равны: P = 610,6 Па (или 6,1 гПа = 4,58 мм рт. ст.), t = 0,01°C (или T = 273,16 К). Кроме тройной точки, кривая АВ проходит еще через две характерные точки - точку, соответствующую кипению воды при нормальном давлении воздуха с координатами P = 1,013·10 5 Па и t = 100°C, и точку с координатами P = 2,211·10 7 Па и t кр = 374,2°C, соответствующими критической температуре - температуре, только ниже которой водяной пар можно перевести в жидкое состояние путем сжатия.

Кривые АС, АВ, AD относящиеся к процессам перехода вещества из одной фазы в другую, описываются уравнением Клапейрона-Клаузиуса:

где T - абсолютная температура, отвечающая для каждой кривой соответственно температуре испарения, плавления, сублимации и т. д.; L - удельная теплота соответственно испарения, плавления, сублимации; V 2 – V 1 - разность удельных объемов соответственно при переходе от воды ко льду, от водяного пара к воде, от водяного пара ко льду.

Непосредственный опыт показывает, что природные воды суши при нормальном атмосферном давлении переохлаждаются (кривая AF) до некоторых отрицательных значений температуры не кристаллизуясь. Таким образом, вода обладает свойством переохлаждаться, т.е. принимать температуру ниже точки плавления льда. Переохлажденное состояние воды является состоянием метастабильным (неустойчивым), в котором начавшийся в какой-либо точке переход жидкой фазы в твердую продолжается непрерывно, пока не будет ликвидировано переохлаждение или пока не превратится в твердое тело вся жидкость. Способность воды принимать температуру ниже точки плавления льда была обнаружена впервые Фаренгейтом еще в 1724 г.

Таким образом, ледовые кристаллы могут возникать только в переохлажденной воде. Переход переохлажденной воды в твердое состояние – лед, происходит только при наличии в ней центров (ядер) кристаллизации, в качестве которых могут выступать взвешенные частицы наносов, находящиеся в воде, кристаллики льда или снега, поступающие в воду из атмосферы, кристаллики льда, образующиеся в переохлажденной воде в результате ее турбулентного поступательного движения, частицы других веществ, присутствующих в водной толще.

Рис. 2. Фазовая диаграмма воды. Ih, II - IX - формы льда; 1 - 8 - тройные точки.

Переохлаждение воды – термодинамическое состояние, при котором температура воды оказывается ниже температуры ее кристаллизации. Возникает это состояние в результате понижения температуры воды или же повышения температуры ее кристаллизации. Температура воды может быть понижена отводом тепла, что наиболее часто встречается в природе, или смешением ее с соленой, например морской, водой. Температура кристаллизации может быть повышена путем понижения давления.

В лабораторных условиях при большом давлении и интенсивном охлаждении дистиллированную воду можно переохладить до температуры порядка - 30, а капель - 50°С. От глубины переохлаждения воды зависит и скорость ее кристаллизации.

Таким образом, диаграмму агрегатных состояний воды - сплошная линия AD на рис. 1 - следует рассматривать как относящуюся к очень малым тепловым нагрузкам, когда влияние времени на преобразование фазы мало. При больших тепловых нагрузках процесс фазовых преобразований будет происходить согласно штриховой кривой AF.

Температура плавления льда (кривая AC) очень слабо зависит от давления. Практически кривая AC параллельна горизонтальной оси: при изменении давления от 610,6 до 1,013·10 5 Па температура плавления уменьшается всего лишь от 0,01 до 0°С. Однако эта температура понижается с увеличением давления только до определенного значения, затем она повышается и при очень высоком давлении достигает значения порядка 450°С (рис.1.2). Как следует из рис. 1.2, при высоком давлении лед может находиться и при положительной температуре. Насчитывают до десяти различных форм льда. Форма льда Ih, для которой характерно понижение температуры плавления с увеличением давления, соответствует обычному льду, образующемуся вследствие замерзания воды при нормальных условиях. Координаты тройных точек различных форм льда, обозначенных на рис.1.2 арабскими цифрами 1-8, приведены в табл. 1.1. Структура и физические свойства всех форм льда существенно отличаются от льда Ih.

Твердое тело (лед), как и жидкость, испаряется в широком диапазоне значений температуры и непосредственно переходит в газообразное состояние (возгонка), минуя жидкую фазу, - кривая AD. Обратный процесс, т. е. переход газообразной формы непосредственно в твердую (сублимация), осуществляется, также минуя жидкую фазу. Возгонка и сублимация льда и снега играют большую роль в природе.

Строение молекулы воды

Вода представляет собой сложное вещество, основной структурной единицей которого является молекула H 2 O, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Схем возможного взаимного расположения атомов H и O в молекуле H 2 O за весь период ее изучения было предложено несколько десятков; общепризнанная в настоящее время схема приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема строения молекулы воды: геометрия молекулы и электронные орбиты

Полную кинетическую энергию трехатомной молекулы типа H 2 O можно описать следующим выражением:

где и - скорости соответственно поступательного и вращательного движения молекулы; I x , I y , I z - моменты инерции молекулы относительно соответствующих осей вращения; m - масса молекулы.

Из этого уравнения видно, что полная энергия трехатомной молекулы типа H 2 O состоит из шести частей, отвечающих шести степеням свободы: трем поступательным и трем вращательным.

Из курса физики известно, что на каждую из этих степеней свободы при тепловом равновесии приходится одинаковое количество энергии, равное 1/2 kT, где k=R m /N A = 1,3807·10 -23 Дж/К - постоянная Больцмана; Т-абсолютная температура; N A = 6,0220·10 23 моль -1 - число Авогадро; kN A =R m = 8,3144 Дж/(моль·К) - универсальная газовая постоянная. Тогда полная кинетическая энергия такой молекулы равна:

Полная кинетическая энергия молекул, содержащихся в грамм-молекуле любого газа (пара), составит:

Полная кинетическая энергия W связана с удельной теплоемкостью cv при постоянном объеме формулой:

Подсчет удельной теплоемкости воды по этой формуле для водяного пара дает значение 25 Дж/(моль·К). По опытным данным, для водяного пара cv = 27,8 Дж/(моль·К), т. е. близко к расчетному значению.

Изучение молекулы воды с помощью спектрографических исследований позволило установить, что она имеет структуру как бы равнобедренного треугольника: в вершине этого треугольника расположен атом кислорода, а в основании его - два атома водорода. Угол при вершине составляет 104°27, а длина стороны - 0,096 нм. Эти параметры относятся к гипотетическому равновесному состоянию молекулы без ее колебаний и вращений.

Относительная молекулярная масса H 2 O зависит от относительной атомной массы ее составляющих и имеет различные значения, так как кислород и водород имеют изотопы.

Кислород имеет шесть изотопов: 14 O, 15 O, 16 O, 17 O, 18 O, 19 O, из которых стабильны только три, а водород три: 1 H (протий), 2 H (дейтерий), 3 H (тритий). Некоторые из изотопов радиоактивны, имеют короткое время полураспада и присутствуют в воде в незначительных количествах, другие же получены только искусственным путем и в природе не встречаются.

Таким образом, принимая во внимание изотопы кислорода и водорода, можно составить из них несколько видов молекулы H 2 O с различными относительными молекулярными массами. Из них наиболее распространены молекулы 1 H 2 16 O с относительными молекулярными массами 18 (обычная вода) и молекулы 2 H 2 16 O с относительными молекулярными массами 20. Последние молекулы образуют так называемую тяжелую воду. Тяжелая вода по своим физическим свойствам значительно отличается от обыкновенной воды.

Молекулярно-кинетическая теория вещества и воды

Структура воды в трех ее агрегатных состояниях еще не может считаться окончательно установленной. Существует ряд гипотез, объясняющих строение пара, воды и льда.

Эти гипотезы в большей или меньшей степени опираются на молекулярно-кинетическую теорию строения вещества, основы которой были заложены еще М.В. Ломоносовым. В свою очередь, молекулярно-кинетическая теория исходит из принципов классической механики, в которой молекулы (атомы) рассматриваются как шарики правильной формы, электрически нейтральные, идеально упругие. Такие молекулы подвержены лишь механическим соударениям и не испытывают никаких электрических сил взаимодействия. По этим причинам использование молекулярно-кинетической теории может лишь в первом приближении объяснить строение вещества.

Газ - в нашем случае водяной пар, - согласно молекулярно-кинетической теории, представляет собой собрание молекул. Расстояние между ними во много раз больше размеров самих молекул. Молекулы газа находятся в непрерывном беспорядочном движении, пробегая путь между стенками сосудов, в котором заключен газ, и сталкиваясь друг с другом на этом пути. Соударения молекул между собой происходят без потери механической энергии; они рассматриваются как соударения идеально упругих шариков. Удары молекул о стенки ограничивающего их сосуда обусловливают давление газа на эти стенки. Скорость движения молекул увеличивается с повышением температуры и уменьшается с ее падением.

Когда температура газа, уменьшаясь от более высоких значений, приближается к температуре кипения жидкости (для воды 100°C при нормальном давлении), скорость молекул уменьшается, и при соударении силы притяжения между ними становятся больше сил упругих отталкиваний при ударе и поэтому газ конденсируется в жидкость.

При искусственном сжижении газа температура его должна быть ниже так называемой критической, которой отвечает и критическое давление (п.1.1). При температуре выше критической газ (пар) никаким давлением не может быть переведен в жидкость.

Величина RT кр / (P кр V кр) для всех газов, в том числе и для водяного пара, должна быть равна 8/3=2,667 (здесь R - газовая постоянная; T кр, P кр, V кр - соответственно критические температура, давление, объем). Однако для водяного пара она равна 4,46. Это объясняется тем, что в состав пара входят не только одиночные молекулы, но и их ассоциации.

Жидкость в отличие от газа представляет собой совокупность молекул, расположенных столь близко друг от друга, что между ними проявляются силы взаимного притяжения. Поэтому молекулы жидкости не разлетаются в разные стороны, как молекулы газа, а только колеблются около своего положения равновесия. Вместе с тем, так как строение жидкости не вполне плотное, в ней имеются свободные места - «дырки», вследствие чего, по теории Я.И.Френкеля, некоторые молекулы, обладающие большей энергией, вырываются из своего «оседлого» места и скачком перемещаются в соседнюю «дырку», расположенную на расстоянии, примерно равном размеру самой молекулы. Таким образом, в жидкости молекулы сравнительно редко перемещаются с места на место, а большую часть времени находятся в «оседлом» состоянии, лишь претерпевая колебательные движения. Этим, в частности, объясняется слабая диффузия в жидкостях по сравнению с большой ее скоростью в газах. При нагревании жидкости энергия ее молекул увеличивается, скорость их колебания возрастает. При температуре 100°C и нормальном атмосферном давлении вода распадается на отдельные молекулы H2O, скорость которых уже в состоянии преодолеть взаимное притяжение молекул, и вода превращается в пар.

При охлаждении жидкости (воды) происходит обратный процесс. Скорости колебательного движения молекул уменьшаются, структура жидкости становится более прочной, и жидкость переходит в кристаллическое (твердое) состояние-лед. Различают два вида твердых тел: кристаллические и аморфные. Основным признаком кристаллических тел является анизотропия их свойств по различным направлениям: теплового расширения, прочности, оптических и электрических свойств и т. п. Аморфные тела изотропны, т. е. обладают одинаковыми свойствами во всех направлениях. Лед является кристаллическим телом.

В твердом теле, в отличие от газа и жидкости, каждый атом или молекула колеблются только около своего положения равновесия, но не перемещаются. В твердом теле отсутствуют «дырки», в которые могут переходить отдельные молекулы. Поэтому диффузия в твердых телах отсутствует. Атомы, составляющие молекулы, образуют прочную кристаллическую решетку, неизменность которой обусловлена молекулярными силами. Когда температура твердого тела приближается к температуре плавления, кристаллическая решетка его разрушается, и оно переходит в жидкое состояние. В отличие от кристаллизации жидкостей плавление твердых тел происходит сравнительно медленно, без явно выраженного скачка.

Кристаллизация большинства жидкостей происходит с уменьшением объема, а плавление твердых тел сопровождается увеличением объема. Исключение составляют вода, сурьма, парафин и некоторые другие вещества, у которых твердая фаза менее плотная, чем жидкая.

Структура воды в трех ее агрегатных состояниях

Проблема оценки структуры воды пока остается одной из самых сложных. Рассмотрим кратко две обобщенные гипотезы о структуре воды, получившие наибольшее признание, одна - в начальный период развития учения о структуре воды, другая - в настоящее время.

Согласно гипотезе, предложенной Уайтингом (1883г.) и имеющей к настоящему времени различные интерпретации, основной строительной единицей водяного пара является молекула H 2 O, называемая гидроль, или моногидроль. Основной строительной единицей воды является двойная молекула воды (H 2 O) 2 -дигидроль; лед же состоит из тройных молекул (H 2 O) 3 - тригидроль. На этих представлениях основана так называемая гидрольная теория структуры воды.

Водяной пар, согласно этой теории, состоит из собрания простейших молекул моногидроля и их ассоциаций, а также из незначительного количества молекул дигидроля.

Вода в жидком виде представляет собой смесь молекул моногидроля, дигидроля и тригидроля. Соотношение числа этих молекул в воде различно и зависит от температуры. Согласно этой гипотезе, соотношение количества молекул воды и объясняет одну из основных ее аномалий - наибольшую плотность воды при 4°С.

Так как молекула воды несимметрична, то центры тяжести положительных и отрицательных зарядов ее не совпадают. Молекулы имеют два полюса - положительный и отрицательный, создающие, как магнит, молекулярные силовые поля. Такие молекулы называют полярными, или диполями, а количественную характеристику полярности определяют электрическим моментом диполя, выражаемым произведением расстояния l между электрическими центрами тяжести положительных и отрицательных зарядов молекулы на заряд e в абсолютных электростатических единицах:

Для воды дипольный момент очень высокий: p = 6,13·10 -29 Кл·м. Полярностью молекул моногидроля и объясняется образование дигидроля и тригидроля. Вместе с тем, так как собственные скорости молекул возрастают с повышением температуры, этим можно объяснить постепенный распад тригидроля в дигидроль и далее в моногидроль соответственно при таянии льда, нагревании и кипении воды.

Другая гипотеза строения воды, разрабатывавшаяся в XX веке (модели О.Я.Самойлова, Дж.Попла, Г.Н.Зацепиной и др.), основана на представлении, что лед, вода и водяной пар состоят из молекул H 2 O, объединенных в группы с помощью так называемых водородных связей (Дж.Бернал и Р.Фаулер, 1933г.). Эти связи возникают в результате взаимодействия атомов водорода одной молекулы с атомом кислорода соседней молекулы (с сильно электроотрицательным элементом). Такая особенность водородного обмена в молекуле воды обусловливается тем, что, отдавая свой единственный электрон на образование ковалентной связи с кислородом, он остается в виде ядра, почти лишенного электронной оболочки. Поэтому атом водорода не испытывает отталкивания от электронной оболочки кислорода соседней молекулы воды, а, наоборот, притягивается ею, и может вступить с нею во взаимодействие. Согласно данной гипотезе, можно предположить, что силы, образующие водородную связь, являются чисто электростатическими. Однако, согласно методу молекулярных орбиталей, водородная связь образуется за счет дисперсионных сил, ковалентной связи и электростатического взаимодействия.

В табл.1 показан молекулярный состав воды, льда и водяного пара по различным литературным источникам.

Таблица 1.1
Молекулярный состав льда, воды и водяного пара, %

Таким образом, в результате взаимодействия атомов водорода одной молекулы воды с отрицательными зарядами кислорода другой молекулы образуются четыре водородные связи для каждой молекулы воды. При этом молекулы, как правило, объединяются в группы - ассоциаты : каждая молекула оказывается окруженной четырьмя другими (рис. 4). Такая плотная упаковка молекул характерна для воды в замерзшем состоянии (лед Ih) и приводит к открытой кристаллической структуре, принадлежащей к гексогональной симметрии. При этой структуре образуются «пустоты - каналы» между фиксированными молекулами, поэтому плотность льда меньше плотности воды.

Повышение температуры льда до его плавления и выше приводит к разрыву водородных связей. При жидком состоянии воды достаточно даже обычных тепловых движений молекул, чтобы эти связи разрушить.

Рис. 4. Схема взаимодействия молекул воды. 1 - кислород, 2 - водород, 3 - химическая связь, 4 - водородная связь.

При повышении температуры воды до 4°С упорядоченность расположения молекул по кристаллическому типу с характерной структурой для льда до некоторой степени сохраняется. Имеющиеся в этой структуре отмеченные выше пустоты заполняются освободившимися молекулами воды. Вследствие этого плотность жидкости увеличивается до максимальной при температуре 3,98°С. Дальнейший рост температуры приводит к искажению и разрыву водородных связей, а, следовательно, и разрушению групп молекул, вплоть до отдельных молекул, что характерно для пара.

Так в чем же заключаются загадочные, необычные свойства привычной всем жидкой воды? Прежде всего, в том, что практически все свойства воды аномальны, а многие из них не подчиняются логике тех законов физики, которые управляют другими веществами.

Молекулы воды при конденсации формирует жидкое вещество удивительной сложности. В первую очередь это связано с тем, что молекулы воды обладают уникальным свойством объединяться в кластеры (группы) (Н 2 О)x. Под кластером обычно понимают группу атомов или молекул, объединенных физическим взаимодействием в единый ансамбль, но сохраняющих внутри него индивидуальное поведение. Возможности прямого наблюдения кластеров ограничены, и поэтому экспериментаторы компенсируют аппаратурные недостатки интуицией и теоретическими построениями.

При комнатной температуре степень ассоциации X для воды составляет, по современным данным, от 3 до 6. Это означает, что формула воды не просто Н 2 О, а среднее между Н 6 О 3 и Н 12 О 6 . Другими словами, вода - сложная жидкость, "составленная" из повторяющихся групп, содержащих от трех до шести одиночных молекул. Вследствие этого вода имеет аномальные значения температуры замерзания и кипения по сравнению с гомологами. Если бы вода подчинялась общим правилам, она должна была замерзать при температуре порядка -100 о С и закипать при температуре около +10 о С.

Если бы вода при испарении оставалась в виде Н 6 О 3 , Н 8 О 4 или Н 12 О 6 , то водяной пар был бы намного тяжелее воздуха, в котором доминируют молекулы азота и кислорода. В этом случае поверхность всей Земли была бы покрыта вечным слоем тумана. Представить себе жизнь на такой планете практически невозможно.

Людям крупно повезло: кластеры воды при испарении распадаются, и вода превращается практически в простой газ с химической формулой Н 2 О (обнаруженное в последнее время в паре незначительное количество димеров Н 4 О 2 погоды не делает). Плотность газообразной воды меньше плотности воздуха, и поэтому вода способна насыщать своими молекулами земную атмосферу, создавая комфортные для человека погодные условия.

На Земле нет других веществ, наделенных способностью быть жидкостью при температурах существования человека и при этом образовывать газ не только легче воздуха, но и способный возвращаться к её поверхности в виде осадков.

К.х.н. О.В. Мосин