Большинство моделей воды с четырьмя участками используют расстояние OH и угол HOH, которые соответствуют расстояниям свободной молекулы воды.
Ученые впервые обнаружили молекулы воды на астероидах
Water molecule (молекула воды) - Download Free 3D. Многие необычные характеристики воды объясняются тем, что ее молекулы связаны между собой особым типом нековалентных связей, получившем название водородной связи. Стоковая иллюстрация: модель молекулы воды, научная или медицинская справка, 3d иллюстрация. Модель молекулы воды Вода образует водородные связи Благодаря водородным связям вода, являясь жидкостью, обладает аномальными свойствами При нагревании вода сжимается, при замерзании же расширяется, в то время как другие жидкости сжимаются. Используя данные Стратосферной обсерватории инфракрасной астрономии НАСА (SOFIA), ученые Юго-Западного научно-исследовательского института впервые обнаружили молекулы воды на поверхности астероида.
Модели молекул исследуемых жидкостей
| Ученые обнаружили, что молекулы воды определяют материалы вокруг нас | DonbassWeb NEWS | Используя данные Стратосферной обсерватории инфракрасной астрономии НАСА (SOFIA), ученые Юго-Западного научно-исследовательского института впервые обнаружили молекулы воды на поверхности астероида. |
| 3d-модель молекулы воды на черном фоне | Полученные с обсерватории SOFIA данные сигнализируют о наличии молекул воды, замеченных на астероидах Ирида и Массалия. |
| Современная модель воды | Используя данные Стратосферной обсерватории инфракрасной астрономии НАСА (SOFIA), ученые Юго-Западного научно-исследовательского института впервые обнаружили молекулы воды на поверхности астероида. |
| Физики построили универсальную модель воды | Последние состоят из 912 молекул воды, которые по модели Зенина практически не способны к взаимодействию за счет образования водородных связей. |
| Структура молекул воды и их ассоциатов :: Живая вода | Модель молекулы воды, предложенная Нильсом Бором, показана на рис. 1.5. |
Физики записали, как молекулы воды движутся вокруг ионов соли
Обладают ли сами кластеры дипольными моментами? До сих пор четких ответов на эти вопросы не было. Экспериментальные данные, полученные за последние 20 лет, противоречили друг другу. Главное препятствие заключалось в том, что во всех этих экспериментах изучались кластеры в толще воды, в их непосредственной «среде обитания». Эксперименты, проведенные исследовательской группой из Университета Южной Калифорнии , положили конец разногласиям.
Их результаты, опубликованные в недавней статье R. Moro et al. Впечатляет эксперимент, позволивший прийти к такому выводу. Герметичный сосуд с водой помещался в вакуумную камеру и из него через очень узкое отверстие вода испарялась наружу, в вакуум.
Отверстие имело форму миниатюрного реактивного сопла , и, выходя через него, струйка пара разгонялась до сверхзвуковой скорости. Такая схема испарения, избегающая нагрева, позволяет получить пар, состоящий не только из отдельных молекул воды, но и из разнообразных водных кластеров.
Кристаллическая структура льда Когда лёд плавится, его тетрагональная структура разрушается и образуется смесь кластеров, состоящая из три-, тетра-, пента-, и гексамеров воды и свободных молекул воды. Схематически этот процесс можно представить себе так. Заказать работу Рис. Структура жидкой воды.
В воде кластеры периодически разрушаются и образуются снова. Время перескока составляет 10-12 секунд. Изучить строение этих образующихся ассоциатов оказалось довольно сложно, поскольку вода — смесь различных полимеров, которые находятся в равновесии между собой. Сталкиваясь друг с другом, полимеры переходят один в другой, разлагаются и вновь образуются. Разделить эту смесь на отдельные компоненты тоже практически невозможно. Лишь в 1993 году группа исследователей из Калифорнийского университета г.
Беркли, США под руководством доктора Р. Сайкалли расшифровала строение триммера воды, в 1996 г. К этому времени уже было установлено, что жидкая вода состоит из полимерных ассоциатов кластеров , содержащих от трех до шести молекул воды. Более сложным оказалось строение гексамера. Самая простая структура — шесть молекул воды в вершинах шестиугольника, — как выяснилось, не столь прочна, как структура клетки. Более того, структуры призмы, раскрытой книги или лодки тоже оказались менее устойчивыми.
В шестиугольнике может быть только шесть водородных связей, а экспериментальные данные говорят о наличии восьми. Это значит, что четыре молекулы воды связаны перекрёстными водородными связями. Структуры кластеров воды были найдены и теоретически, сегодняшняя вычислительная техника позволяет это сделать. В 1999 г. Станислав Зенин провёл совместно с Б. Применив современные методы анализа - рефрактометрию, протонный резонанс и жидкостную хроматографию им удалось обнаружить ассоциаты молекул воды - кластеры.
Возможные кластеры воды Объединяясь друг с другом, кластеры могут образовывать более сложные структуры: Рис. Более сложные ассоциаты кластеров воды Кластеры, содержащие в своём составе 20 молекулу оказались более стабильными. Формирование кластера из 20 молекулы воды. Анализируя полученные данные предложил, что вода представляет собой иерархию правильных объемных структур "ассоциатов" clathrates , в основе которых лежит кристаллоподобный "квант воды", состоящий из 57 ее молекул, которые взаимодействуют друг с другом за счет свободных водородных связей. При этом 57 молекул воды квантов , образуют структуру, напоминающую тетраэдр. Тетраэдр в свою очередь состоит из 4 додекаэдров правильных 12-гранников.
Таким образом, структура воды связана с так называемыми платоновыми телами тетраэдр, додекаэдр , форма которых связана с золотой пропорцией. Ядро кислорода также имеет форму платонова тела тетраэдра.
Такая особенность водных кластеров отражается и на их электрических свойствах. Как известно уже более полувека, молекула воды — полярна. Положительные и отрицательные заряды в ней слегка смещены друг относительно друга, и в результате она обладает довольно большим дипольным моментом и создает вокруг себя электрическое поле. Если взять очень много молекул например, стакан воды , то дипольные моменты отдельных молекул скомпенсируются, и суммарное электрическое поле исчезнет, в чём нас убеждает и повседневный опыт. При каком именно числе молекул происходит этот переход?
Обладают ли сами кластеры дипольными моментами? До сих пор четких ответов на эти вопросы не было. Экспериментальные данные, полученные за последние 20 лет, противоречили друг другу. Главное препятствие заключалось в том, что во всех этих экспериментах изучались кластеры в толще воды, в их непосредственной «среде обитания». Эксперименты, проведенные исследовательской группой из Университета Южной Калифорнии , положили конец разногласиям. Их результаты, опубликованные в недавней статье R.
Это расстояние предопределено с одной стороны силами микротяготения между ядрами атомов водорода и с другой стороны наличием разрешённых орбит в атомах водорода, расположенных на удалении 76,8 пм от их ядер см. При оценке размеров молекулы воды необходимо учитывать не только реальную поверхность атомов кислорода и водорода, но также радиус поверхности вращения 204 пм, определяемый выступами атомов водорода.
На положение поверхности вращения влияет также расположение центра масс, относительно которого происходит вращение молекулы. Он несколько сдвинут в сторону атомов водорода. Адекватность представленной модели молекулы воды также подтверждается данными по её динамике. Для воды характерны три частоты поглощения в инфракрасной области 1595, 3657 и 3756 см-1. Анализируя представленную на рис. Излучение с частотой 1595 см-1 возможно обусловлено орбитальным движением самой молекулы воды в ассоциате, который по литературным данным [1] состоит из 4-х молекул. Выполним оценочный расчёт для проверки выдвинутых предположений. Полученная величина весьма близка к справочным значениям 3657 и 3756 см-1, так что действительно можно полагать, что атомы водорода в молекуле воды обращаются по экваториальной орбите, отстоящей от ядра атома кислорода на 96 пм.
Другие новости
Модель молекулы воды Вода образует водородные связи Благодаря водородным связям вода, являясь жидкостью, обладает аномальными свойствами При нагревании вода сжимается, при замерзании же расширяется, в то время как другие жидкости сжимаются. О сервисе Прессе Авторские права Связаться с нами Авторам Рекламодателям Разработчикам. Используя инструмент на борту Лунного орбитального аппарата НАСА (LRO), ученые наблюдали, как молекулы воды движутся вокруг светлой стороны Луны. уникальное искусство складывания бумаги, которое позволяет создать трехмерную модель молекулы воды. Научная работа, описанная в журнале PNAS, рассказывает о том, что свет, попадая в место соприкосновения воздуха и воды, способен расщеплять молекулы H2O и поднимать их в воздух, вызывая испарение без участия сторонних источников тепла. Спектроскопия PHPPИ воды качественно отличается от ИК спектроскопии тем, что при возбуждении рентгеновским фотоном глубокого 1s электрона кислорода на первую незанятую молекулярную орбиту, молекула воды быстро диссоциирует.
Молекула воды: удивительное строение простого вещества
Тем не менее, испарение при освещении воды светом начиналось и продолжалось, пока был свет. В темноте явление отсутствовало. Собственно говоря, климатологи давно ломали копья в спорах о степени поглощения света облачной массой Земли и о влиянии всего этого на климат планеты. Данные были противоречивы и демонстрировали заметные расхождения между наблюдениями и моделями. С открытием фотомолекулярного эффекта всё может встать на свои места.
Ранее ученые заглянули внутрь «Звезды Смерти».
Так называют мини-луну Сатурна, причина — необычный внешний вид. Этот спутник удивил астрономов неожиданным составом. Подробнее об этом написано здесь.
Оказалось, что благодаря силам Ван-дер-Ваальса между стенками трубок определенного диаметра и молекулами могут появляться необычные конфигурации воды. В результате молекулы выстраиваются в плоскости по четыре штуки, образуя структуру, напоминающую двумерный лед. Однако при диаметре около 8 ангстрем силы Ван-дер-Ваальса со стороны стенок заставляют молекулы воды собираться в определенные квадратные структуры». Подобный «нанотрубный лед» может пригодиться при создании молекулярных машин или в качестве крошечных капилляров, а также для обеспечения доставки строго определенного количества молекул и растворенных в них веществ для медицинских целей, то есть в виде наномасштабного шприца. Понравился материал?
Физики использовали компьютерное моделирование, чтобы объяснить, какие особенности отличают две жидкости на микроскопическом уровне. Они обнаружили, что молекулы воды в жидкости с высокой плотностью образуют структуры, которые считаются «топологически сложными», такие как узел-трилистник похоже на крендель или связь Хопфа напоминает звенья цепи. Напротив, молекулы в жидкости с низкой плотностью в основном образуют простые кольца, и, следовательно, молекулы в жидкости с низкой плотностью не запутаны. Компьютерная модель состояния воды с высокой плотностью. Изображение : Andreas Neophytou et al.
» Сайт о химических элементах
- Компьютерная модель взаимодействия молекул воды
- Квантово-механические свойства воды - Вода Квантовая механика Молекула » 2024
- Описание 3D-модели
- Молекула воды: удивительное строение простого вещества
- РАЗБИЕНИЕ КОКСТЕРА, СИСТЕМЫ КОРНЕЙ И ТАЛАЯ ВОДА
Вода необычной формы может быть самой распространенной во Вселенной
Сайт М лежит на оси симметрии молекулы между сайтом О и линией, соединяющей Н сайты. Рисунок 2. Энергия взаимодействия между двумя молекулами и состоит из двойной суммы по всем сайтам обеих молекул. Члены с индексами и учитывают кулоновское взаимодействие между электрическими зарядами, связанными с сайтами, а также вклады ЛД типа: 2. Соответствующая сила определяется выражением: 2. Как часть молекулярного проектирования отрицательный заряд из сайта О был смещен на небольшую величину в сайт М, введенный именно с этой целью.
Перейдем к безразмерным МД единицам измерения, удобным для решения задачи. Определим единицу измерения расстояния как имеющую значение , удовлетворяющее равенству , откуда. Единица измерения энергии. За единицу измерения массы выбираем массу молекулы воды г.
Но не исключено и присутствие этих электронов в молекуле воды, так как валентные электроны атомов, вступающих в связь, могут соединяться не только с протонами соседнего атома, но и с его валентными электронами. С учетом этого структура молекулы воды может отличаться количеством электронов в ней, и возникает необходимость дать названия этим структурам. Структуру молекулы воды с полным набором электронов назовем первой моделью рис. Существуют возможности формирования молекулы воды не с десятью, а с восемью электронами рис. Такую модель назовем второй. Схема второй разряженной модели молекулы воды Главные различия между первой рис.
Когда спаренные электроны расположены только на одном конце оси атома кислорода, то такую модель назовем третьей рис.
Зенина вода представляет собой иерархию геометрически правильных объемных структур "ассоциато". Согласно его теории элементарной структурной ячейкой воды являются тетраэдры, в которых может содержаться 4 простой тетраэдр или 5 объемно-центрированный тетраэдр молекул воды.
При этом у каждой молекулы воды в простых тетраэдрах сохраняется способность образовывать водородные связи, благодаря чему создаются более сложные структуры, как показано на рисунке 13. Рисунок 13 - Формирование сложных ассоциатов из молекул воды по С. Кластеры, содержащие 20 молекул воды додэкаэдры более стабильны.
Схема их образования показана на рисунке 14. Рисунок 14 - Формирование кластеров воды из 20 молекул. Из четырех таких образований возникают энергетически выгодные "кванты" - тетраэдрические додекаэдры рисунок 15.
Рисунок 15 - Модель ассоциата воды из 57 молекул - "квант" тетраэдр из четырех додекаэдров. Из 57 молекул такого образования 17 составляют гидрофобный каркас с полностью насыщенными связями, а по 10 молекул на поверхности каждого додекаэдра формируют центры образования водородных связей. Методами жидкостной хроматографии было подтверждено существование пяти- и шестиквантовых структур типа "четырехконечной звезды" и "шестилучевой снежинки".
Рисунок 16 - Принципиальная модель кластера воды из 912 молекул 16 "квантов" воды. На каждой грани такого куба существует уже по 24 центра образования водородных связей. Данные цифры были подтверждены экспериментально.
На уровне 24 центров связывание по водородным связям практически прекращается ввиду того, что поверхность образований становится насыщенной нейтральной. Кластеры почти не взаимодействуют между собой, а скользят друг по другу, поэтому вода не отличается высокой вязкостью. В таком "режиме" из кластеров формируются метастабильные структуры, пример которых показан на рисунке 17 микроизображение в режиме фазового контраста.
Рисунок 17 - Микроизображение объемной структуры воды. Теория Зенина хорошо объясняет электропроводные свойства воды, уменьшение плотности при плавлении, но плохо согласуется с большими значениями коэффициента самодиффузии и малым временем диэлектрической релаксации. Интересно, что по мнению Зенина, если степень возмущения структурных элементов воды недостаточна для перестройки всей структуры, то после снятия возмущения система релаксирует 30-40 минут до возвращения в исходное состояние.
Если же переход к другому взаимному расположению структурных элементов воды оказывается энергетически выгодным, то оказанное воздействие отразится на новом состоянии. Альтернативную, но похожую теорию выдвинул М. В его теории структурные элементы - это икосаэдры.
Кластеры из 100 молекул могут образовывать цепочки с уменьшенными напряжением и степенью деформации водородных связей. В дальнейшем теоретически формируются сети, как показано на рисунке 18. Рисунок 18 - Формирование упорядоченной сети кластерных образований икосаэдрической формы, формирующих структуру воды.
Компьютерные расчеты. Показаны только атомы кислорода. Однако практически существование регулярных матриц в воде маловероятно.
Кластеры из 280 молекул также могут формировать цепочки, но с более напряженными водородными связями. Кластеры могут разрастаться в суперкластеры гигантские икосаэдры , примеры которых приведены на рисунке 19. Рисунок 19 - Гигантсские икосаэдры из молекул воды по М.
В 2002 Беркли методом рентгеноструктурного анализа показала, что молекулы воды действительно способны образовывать структуры, представляющие собой топологические цепочки и кольца из множества молекул. Смирновым в бидистиллированной воде и некоторых растворах методами акустической эмиссии, лазерной интерферометрии и термического анализа удалось визуализировать надмолекулярные образования с размерами частиц от 1 до 100 мкм, распределенных в водной среде рисунок 20. Свойства таких частиц были сходны со свойствами частиц, образующих эмульсию, поэтому они были названы "эмулонами".
Микроизображения 2х2 мм. Размеры и пространственная организация эмулонов зависят от состава водного раствора, температуры и предыстории раствора. Наибольшее число фракций имеют размеры 30, 70 и 100 мкм.
При этой температуре вода имеет наибольшую плотность. Таким образом, с рассмотренной точки зрения жидкая вода - это дисперсная система, каждая форма которой существует в определенном температурном диапазоне. Как уже упоминалось ранее, наряду с кластерной развивалась клатратная теория, основоположником которой в 1946 году стал О.
Он представлял структуру жидкой воды льдоподобной, полости которой частично заполнены мономерами одна полость - одна молекула воды. Каркас структуры нарушен тепловым движением молекул. Клатраты в целом не только вода делятся на два класса, зависящие от соединения-хозяина.
Молекулярные клатраты образуются "хозяевами", имеющими внутримолекуярные полости. Такие клатраты могут существовать как в растворе, так и в кристаллическом состоянии. Если "хозяин" способен образовывать только межмолекулярные или кристаллические полости, то из него получаются решетчатые клатраты рисунок 21 , устойчивые лишь в твердом состоянии.
Рисунок 21 - Гидрат метана - пример решетчатого клатрата. В поздних модификациях клатратной модели воды допускается образование водородных связей между молекулами в каркасе и молекулами в пустотах. При этом сами молекулы в обеих микрофазах соединены водородными связями.
В заключение отметим, что существует целый ряд воздействий, которые могут приводить к определенному структурированию воды: Сверхкритические температуры и давления; Магнитные и электромагнитные поля, акустические и вибрационные воздействия с определенными характеристиками; Растворение электролитов, образующих при диссоциации ионы с относительно малым радиусом и большим зарядом; Растворение неэлектролитов, вызывающих явление гидрофобной гидратации; Длительный контакт с поверхностью нерастворимых в воде минералов, таких, как кварц. Возможность такого рода воздействий обуславливается тем, что вода - очень чувствительная система множества метастабильных состояний. Вода, по сути, может откликаться на воздействия практически любой природы.
Более подробно структурирование воды под воздействием внешних сил будет рассмотрено в отдельной статье.
Модели обретут недостающие контуры и будут соответствовать наблюдениям, а понимать эти процессы не просто важно, а принципиально необходимо, ведь на этом строится климатическая повестка со всеми вытекающими. Наконец, открытие испарения без нагрева — это путь к новым и эффективным опреснителям и технологическим процессам сушки при производстве всего: от продуктов до древесины, бумаги и даже электродов литиевых аккумуляторов. Учёные, кстати, уже начали получать запросы на разработку фотомолекулярных сушилок от тех или иных представителей промышленности. Так что дело может быстро набрать ход.
Загадка молекулярной структуры воды
Компьютерные расчеты. Показаны только атомы кислорода. Однако практически существование регулярных матриц в воде маловероятно. Кластеры из 280 молекул также могут формировать цепочки, но с более напряженными водородными связями. Кластеры могут разрастаться в суперкластеры гигантские икосаэдры , примеры которых приведены на рисунке 19. Рисунок 19 - Гигантсские икосаэдры из молекул воды по М. В 2002 Беркли методом рентгеноструктурного анализа показала, что молекулы воды действительно способны образовывать структуры, представляющие собой топологические цепочки и кольца из множества молекул. Смирновым в бидистиллированной воде и некоторых растворах методами акустической эмиссии, лазерной интерферометрии и термического анализа удалось визуализировать надмолекулярные образования с размерами частиц от 1 до 100 мкм, распределенных в водной среде рисунок 20. Свойства таких частиц были сходны со свойствами частиц, образующих эмульсию, поэтому они были названы "эмулонами".
Микроизображения 2х2 мм. Размеры и пространственная организация эмулонов зависят от состава водного раствора, температуры и предыстории раствора. Наибольшее число фракций имеют размеры 30, 70 и 100 мкм. При этой температуре вода имеет наибольшую плотность. Таким образом, с рассмотренной точки зрения жидкая вода - это дисперсная система, каждая форма которой существует в определенном температурном диапазоне. Как уже упоминалось ранее, наряду с кластерной развивалась клатратная теория, основоположником которой в 1946 году стал О. Он представлял структуру жидкой воды льдоподобной, полости которой частично заполнены мономерами одна полость - одна молекула воды. Каркас структуры нарушен тепловым движением молекул.
Клатраты в целом не только вода делятся на два класса, зависящие от соединения-хозяина. Молекулярные клатраты образуются "хозяевами", имеющими внутримолекуярные полости. Такие клатраты могут существовать как в растворе, так и в кристаллическом состоянии. Если "хозяин" способен образовывать только межмолекулярные или кристаллические полости, то из него получаются решетчатые клатраты рисунок 21 , устойчивые лишь в твердом состоянии. Рисунок 21 - Гидрат метана - пример решетчатого клатрата. В поздних модификациях клатратной модели воды допускается образование водородных связей между молекулами в каркасе и молекулами в пустотах. При этом сами молекулы в обеих микрофазах соединены водородными связями. В заключение отметим, что существует целый ряд воздействий, которые могут приводить к определенному структурированию воды: Сверхкритические температуры и давления; Магнитные и электромагнитные поля, акустические и вибрационные воздействия с определенными характеристиками; Растворение электролитов, образующих при диссоциации ионы с относительно малым радиусом и большим зарядом; Растворение неэлектролитов, вызывающих явление гидрофобной гидратации; Длительный контакт с поверхностью нерастворимых в воде минералов, таких, как кварц.
Возможность такого рода воздействий обуславливается тем, что вода - очень чувствительная система множества метастабильных состояний. Вода, по сути, может откликаться на воздействия практически любой природы. Более подробно структурирование воды под воздействием внешних сил будет рассмотрено в отдельной статье. Особенности строения воды в твердом виде. Рисунок 22 - Фрагмент фазовой диаграммы воды. Джоном получены первые результаты по рентгеноструктурному исследованию льда. Джон отметил, что лед собран из прямых треугольных призм. Деннисон уточняет это предположение.
Брэгг в статье "Кристаллическая структура льда" пытается выяснить причины возможных ошибок при расшифровке положений ядер кислорода. Он убежден, что ни Джон, ни Деннисон не смогли найти истинного расположения ядер кислорода в структуре льда. Брэгг сделал важное замечание: каждый атом кислорода в структуре льда должен быть окружен четырьмя другими. Атом же водорода располагается между двумя кислородами как бусинки на нитке. При этом, что важно, бусинки сдвинуты, смещены, относительно центра льда. Варне обнаружил, что молекулы во льду полностью ионизированы, а каждый водород находится на равном расстоянии между двумя соседними ядрами кислорода. Он заявил о трехмерности каркаса льда, который должен иметь форму тетраэдра. В нем каждый атом кислорода окружен еще четырьмя, т.
Кристаллическая решетка льда называется ажурной рисунок 23. Паутина связей между молекулами воды во льду содержит много крупных пустот, больших по размеру, чем сами молекулы. Именно поэтому лед более легкий, чем жидкая вода. При плавлении льда водородные связи начинают разрушаться и в пустотах оставшихся ассоциатов поместиться освободившиеся молекулы воды. Рисунок 23 - Тетраэдрическое окружение молекул воды в кристалле льда. Рисунок 24 - Изображение структуры льда в нанотрубках. Чем ниже температура, тем крупнее кластеры. Наиболее устойчивы кластеры из 8, 12, 24, 36 молекул.
Особенности строения воды в газообразном виде. Расстояние между молекулами во много раз больше самих молекул. При этом сами молекулы хаотично двигаются, сталкиваются со стенками сосуда, в котором заключены, и между собой. Скорость их тем выше, чем выше температура системы. Продолжение статьи:.
Ученые проанализировали поверхность четырех богатых силикатами космических тел с помощью прибора FORCAST и выделили на двух из них — Ирис и Массалия — спектральные сигнатуры в среднем инфракрасном диапазоне, указывающие на наличие молекулярной воды. Особый интерес представляет распределение воды на астероидах, поскольку это может пролить свет на то, как вода была доставлена на Землю, — говорит ведущий автор исследования Анисия Арредондо.
Исследователи "загоняли" молекулы H2O в углеродные нанотрубки диаметром 1,6 нанометра, и подвергали систему воздействию высокоэнергетичных нейтронов, которые производил источник ISIS из лаборатории Резерфорда-Эпплтона в Оксфордшире, Великобритания. Из-за того, что нейтроны обладали очень высокой энергией, они успевали отразиться от встреченных на пути протонов до того, как последние успевали провзаимодействовать с окружающими их частицами. Таким образом, анализируя данные о рассеянии нейтронов после прохождения сквозь образец, ученые получали информацию о нативном распределении протонов по энергиям. Оказалось, что энергия сильно зависит от температуры: ее среднее значение было на 50 процентов больше предсказанного электростатической моделью при низких температурах, и на 20 процентов - при комнатной температуре. Внутри нанотрубок с диаметром 1,4 нанометра средняя энергия протонов оказалась на 30 процентов ниже, чем у воды, не помещенной в ограниченное пространство. Также исследователи проверили, как будут распределяться по энергиям протоны в воде, помещенной в особый мембранный материал Nafion, который используется для производства топливных элементов.
Вода, пар или лед состоят из простых молекул H2O, объединенных в группы или агрегаты с помощью водородных связей Дж. Бернал, Р. Фаулер 1933. Последователей второй гипотезы значительно больше, поэтому остановимся на ней подробнее. Электронная конфигурация молекулы H2O позволяет ей быть одновременно и донором и акцептором электронов. Этот факт является важной предпосылкой к образованию разветвленной сети водородных связей рисунок 4 , как уже было упомянуто ранее. Лед в этом отношении совершенен. Рисунок 4 - Образование водородных связей между молекулами воды. Сплошные линии - ковалентные связи, точечные - направленные водородные связи. Расчетами установлено, что в любом объеме воды всегда найдется, по крайней мере, одна сплошная цепочка из водородных связей, пронизывающая весь объем. Если представить в виде этого объема мировой океан, то, согласно этого постулата, в нем точно найдется одна гигантская ассоциация молекул воды, опоясывающая земной шар. Известен афоризм И. Ленгмюра: "Океан - одна большая молекула". Сегодня достоверно установлено, что из каждых 10 молекул воды 8 по прежнему окружены соседями. В ходе современных физико-химических исследований были выявлены характерные структурные агрегаты воды, формирующиеся с помощью водородных связей. Для формирования трехмерных структур необходимо, кроме способности молекул создавать водородные связи, выполнение еще двух условий. Этих связей должно быть не менее четырех на одну молекулу и геометрические размеры молекулы не должны противоречить оптимальным направлениям водородных связей. Вода удовлетворяет этим требованиям. Так, нагревая лед мы получаем смесь жидкой воды и кристаллов льда, температура которой останется неизменной до тех пор, пока все кристаллики не расплавятся. Это говорит о том, что подводимое нами тепло будет расходоваться в первую очередь на разрушение водородных связей льда. Структура воды в жидком виде. Жидкость, как известно, отличается от других агрегатных состояний вещества своей текучестью, то есть способностью неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, сохраняя при этом объем. Жидкость способна течь даже под свей неподвижной поверхностью. Молекулы жидкости не имеют своего строго определенного места, но, все же, им недоступна полная свобода перемещения, как в паре. Структура жидкости есть статистическая закономерность межмолекулярных расстояний и ориентаций, характерных для плотно упакованных систем. Эта теория оказалась верной лишь методологически, многие ее детали на практике не подтвердились. Однако, главное ее достижение - идея о наличии тетраэдрической сетки. В 1951 г. Попл предложил модель воды в виде непрерывной сетки рисунок 5 , отличной от модели Бернала и Фаулера. Отличия заключались в том, что сетка была случайной, связи в ней искривлены и имеют различную длину. Рисунок 5 - Модель жидкой воды Дж. Попл объяснял уплотнение воды при плавлении искривлением связей. Однако, данная модель не могла объяснить нелинейность зависимости свойств воды от температуры и давления. Почти одновременно с идеей Попла возникли кластерные и клатратные модели, которые можно обозначить как "смешанные". Кластерная модель представляла жидкую воду как кластеры из молекул, связанных водородными связями, плавающих в объеме свободных молекул. В группе кластерных моделей выделяется теория Г. Немети и Х. Шераги рисунок 6. Отметим, что в данной модели разрушение одной водородной связи приводит к разрушению всего кластера. Разрушение и образование кластеров происходит постоянно. Рисунок 6 - Кластерная модель Г. Кластерная модель не говорит о расположении молекул в гроздьях, но авторы предполагают наличие отдельных "роев". При этом постулируется тот факт, что большинство молекул должно быть тетракоординировано. Состояние молекул будет определяться количеством водородных связей, которые она образует 0-5. Удар по кластерной теории наносят исследования Г. Стэнли на основе теории перколяции протекания. Стэнли доказывает невозможность существования в воде изолированных кластеров. Клатратная модель говорила о воде как о непрерывной сетке-каркасе связанных молекул, внутри которого содержались пустоты со свободными молекулами. Первую модель клатратного типа предложил О. Самойлов в 1946 году. В ее основе лежало представление о жидкой воде как о испорченной, размытой структуре льда Ih с частичным заполнением полостей мономерами. В процессе движения молекул решетка постоянно перестраивается. Настройкой свойств и концентраций микрофаз, а также параметрами пустот легко можно было объяснить все закономерности свойств воды. Сегодня существует еще много вопросов о воде в метастабильных состояниях, в частности - аморфных.
Ученые испарили воду светом без использования тепла
Полученные с обсерватории SOFIA данные сигнализируют о наличии молекул воды, замеченных на астероидах Ирида и Массалия. Научная работа, описанная в журнале PNAS, рассказывает о том, что свет, попадая в место соприкосновения воздуха и воды, способен расщеплять молекулы H2O и поднимать их в воздух, вызывая испарение без участия сторонних источников тепла. Они помещают отдельные молекулы воды, обладающие довольно большим дипольным моментом, в так называемую диэлектрическую матрицу.
Фото и Изображения - Молекула воды
Экспериментально установлено, что алмаз имеет высокую гидрофильность [33]. Также отмечалось, что используемая в экспериментах слюда также гидрофильна. Для имитации этих условий в модели использовались следующие значения величин: , , отвечающих вдвое большему притяжению молекул воды к атомам углерода, чем друг к другу. Для гладких поверхностей в модели не включалось их непосредственное взаимодействие друг с другом. Молекула аргона Молекулы аргона моделировались упругими шарами, взаимодействие для которых имеет ЛД вид 2. Параметры в 2.
Взаимодействие молекул аргона с атомами поверхностей считалось таким же, как и для воды. Значения силы сдвига изменялись в тех же пределах, что и для воды. Значение силы на каждый атом изменялось от 20 в системе СИ это 68.
PR, контент-маркетинг, блог компании, образовательный, персональный мини-сайт. Регистрация бесплатна Только в 1951 году Дж. Попл создал модель непрерывной сетки, которая была не так конкретна, как модель Бернала — Фаулера. Попл представлял воду как случайную тетраэдрическую сетку, связи между молекулами в которой искривлены и имеют различную длину. Модель Попла объясняет уплотнение воды при плавлении искривлением связей. Когда в 60—70-е годы появились первые определения структуры льдов II и IX, стало ясно, как искривление связей может приводить к уплотнению структуры. Модель Попла не могла объяснить немонотонность зависимости свойств воды от температуры и давления так хорошо, как модели двух состояний. Поэтому идею двух состояний ещё долго разделяли многие учёные. В первой группе вода представала в виде кластеров из молекул, связанных водородными связями, которые плавали в море молекул, в таких связях не участвующих. Модели второй группы рассматривали воду как непрерывную сетку водородных связей - каркас, которая содержит пустоты; в них размещаются молекулы, не образующие связей с молекулами каркаса. Среди кластерных моделей наиболее яркой оказалась модель Г. Немети и Х. Шераги, предложенные ими картинки, изображающие кластеры связанных молекул, которые плавают в море несвязанных молекул, вошли во множество монографий. Другая модель воды, предложенная в 1957 г. Фрэком и Уэном — модель мерцающих кластеров. Эта модель очень близка современным представлениям о структуре воды. Их время жизни оценивают в диапазоне от 10-10 до 10-11 с. Такое представление правдоподобно объясняет высокую степень подвижности жидкой воды и ее низкую вязкость. Считается, что благодаря именно таким свойствам вода служит одним из самых универсальных растворителей. Модель мерцающих кластеров воды. На рисунке представлены как отдельные кластерно-ассоциативные структуры молекул воды, так и отдельные молекулы воды, не связанные водородными связями. Итак, вода — это громадный полимер множества молекул воды, связанных друг с другом водородными связями. Но классический полимер — это молекула, все атомы которой объединены ковалентными связями, а не водородными, которые до недавнего времени считались чисто электростатическими. Однако в 1999 г. Интересной особенностью этой модели является то, что из нее автоматически следует, что свободно растущие кристаллы воды, хорошо известные нам снежинки, должны обладать 6-лучевой симметрией. Зарегистрируйте блог на портале Pandia. Бесплатно для некоммерческих и платно для коммерческих проектов. Регистрация, тестовый период 14 дней. Условия и подробности в письме после регистрации. В 2002 году группе д-ра Хэд-Гордона методом рентгеноструктурного анализа с помощью сверхмощного рентгеновского источника Advanced Light Source ALS удалось показать, что молекулы воды способны за счет водородных связей образовывать структуры - "истинные кирпичики" воды, представляющие собой топологические цепочки и кольца из множества молекул воды.
При этом будет уделяться внимание зарядовой асимметрии этих процессов. В основу положена феноменологическая модель "растворенного" пара. Далее предпринимается попытка воспроизвести указанную зависимость и ее подгоночные параметры как результат микромоделирования взаимодействий с участием молекул воды. Молекулы в кластерах мы будем считать плотно упакованными и находящимися на фиксированных расстояниях от ближайших соседей. Формально это соответствует потенциалу типа Ленарда—Джонса с очень большой константой связи. Успешный исход дает возможность применить модель молекулы для изучения взаимодействий с ионами. Результаты численного эксперимента с ионами описываются более простой моделью молекулы воды, представляющей собой электрический диполь, сдвинутый от центра молекулы. Настройка параметров этой модели по результатам численного эксперимента позволяет затем проводить описание в более грубых терминах сплошной среды. Таким способом решение поставленной задачи доводится до конца. Авторы выполнили моделирование кластера, состоящего из 55 молекул воды [11]. Избыточный отрицательный заряд в количестве двух электронов находится в центре треугольника. Дипольный момент такой молекулы 1. Молекулы плотно упакованы, и радиус Д соответствует плотной упаковке. Кластер состоит из центральной молекулы, ее окружения из 12 молекул и 42 молекул, соприкасающихся с окружением. В начальном состоянии молекулы были ориентированы случайным образом. Специальная программа градиентного спуска в 165-мерном пространстве приводила кластер к минимуму электростатической энергии. Работа программы заключалась в повороте каждой молекулы вокруг всех трех осей. Поворотом вокруг первой оси достигался минимум и происходил переход ко второй оси, а затем к третьей. Потом операция проводилась со второй молекулой и так далее.
Колебательная инфракрасная ИК спектроскопия — общепринятый инструмент для исследования водородных связей в жидкостях. Но в них ИК-спектроскопия показывает лишь наиболее интенсивный переход в состояние с минимальной энергией колебаний, которое «слабо чувствует» межмолекулярное взаимодействие. Спектроскопия резонансного неупругого рассеяния воды качественно отличается от ИК-спектроскопии тем, что, получив энергию от рентгеновского фотона, электрон кислорода переходит с самой глубокой орбитали на первую незанятую. В результате молекула воды быстро диссоциирует. В процессе возбуждённый электрон переходит обратно на самый глубокий уровень, испуская рентгеновский фотон. Частота колебаний испущенного фотона отличается от возбуждающего фотона, так как при этом переходе электрон попадает на уровни с большей энергией. Таким образом, в отличие от ИК-спектра, спектр резонансного неупругого рассеяния состоит из протяжённого набора колебательных пиков. Чем выше колебательное состояние, тем дальше атомы водорода удаляются от кислорода в процессе колебаний связи между О и Н и тем сильнее это колебание чувствует взаимодействие с ближайшей молекулой воды, а именно водородную связь. Резонансное неупругое рассеяние даёт уникальную возможность исследовать водородные связи, в частности определить на основании спектра, как влияют соседние молекулы через водородную связь на потенциал взаимодействия OH-связи. Таким образом, второй результат работы — измерение распределения OH-потенциалов в сети постоянно изменяющихся водородных связей.