Форма молекулы воды: Водородные связи между молекулами воды (статья)

Жизненно важные детали: Две формы воды

Сложные взаимодействия между молекулами воды могут объяснить, почему именно эта полярная жидкость стала основой для жизни – в том виде, в каком мы ее знаем.

TechInsider

Item 1 of 2

1 / 2

Моделирование кластера молекул воды; различные цвета соответствуют разным состояниям водородных связей

Только на первый взгляд вода кажется такой простой и понятной. На молекулярном уровне она представляет собой крайне интересный и загадочный объект. К примеру, лишь недавно компьютерное моделирование показало, что молекулы воды образуют структуры двух типов, которые формируются, распадаются и переходят друг в друга за считанные мгновения. Это открытие может объяснять и тот факт, почему именно вода стала основой жизни.

Даже молекула воды кажется предельно простой: равнобедренный треугольник с парой атомов водорода и одним кислородом на вершине. Со школы мы помним, что кислород, оттягивая на себя электроны из атомов водорода, приобретает слабый отрицательный заряд, а атомы водорода становятся заряжены положительно. Противоположные заряды притягиваются, и это позволяет молекулам воды образовывать друг с другом водородную связь, почти в 20 раз более слабую, чем обычная ковалентная связь между атомами в молекуле.

Благодаря водородным связям в воде образуются сложные надмолекулярные структуры, существующие ничтожные доли секунды, и снова распадающиеся. Считается, что именно это свойство позволило воде стать основой жизни на Земле. Однако к подобным взаимодействиям способны и другие низкомолекулярные полярные вещества — например, аммиак или пероксид водорода. Почему же именно вода? Вопрос этот интересен и сложен — несколько лет назад журнал Science, отмечая свое 125-летие, назвал его в числе 125-ти самых важных неразрешенных проблем современной науки.

Возможно, ответ на этот вопрос даст недавнее исследование, в ходе которого ученые впервые создали компьютерную модель формирования, эволюции и распада подобных структур в воде. Сюрпризом оказалась сложность и динамичность этого процесса. Судя по всему, такие структуры могут относиться к двум возможным типам — одни бесформенные и «рыхлые», другие более упорядоченные и плотные (кстати, некоторые свидетельства тому, что в воде существуют два типа структур, были получены ранее в лабораторных исследованиях). И те, и другие структуры устойчивостью не отличаются и за секунду успевают миллиарды раз распасться и образовать новые агломераты — время их существования исчисляется 200−400 фемтосекундами.

В итоге в смеси молекул воды каждая отдельная молекула движется почти хаотично. Но атомы водорода в ней могут служить своего рода «временными якорями», взаимодействуя с которыми атомы кислорода или азота, входящие в состав органических соединений, позволяют им легче стабилизироваться в составе более сложных макромолекул. Насколько сегодня известно, ни одна другая полярная жидкость неспособна к образованию разных типов надмолекулярных агломератов.

По словам авторов работы, мы лишь только начинаем приоткрывать то, как внутренняя структура воды на молекулярном уровне влияет на функционирование белков и других биологических соединений. А влияние это, видимо, простирается дальше, чем кажется на первый взгляд. Как говорит один из них, швейцарец Питер Хамм (Peter Hamm), «становится все яснее, что вода является чем-то большим, нежели просто растворитель, ее скорее можно назвать существенной частью функциональной структуры белков».

Также читайте и смотрите видео: «Танцы под водой».

По публикации ScienceNOW

Молекула воды

Наверх

Химический состав воды отвечает на вопрос, из чего состоит молекула воды. А как эта молекула устроена — никто не знал вплоть до августа 1933 года.

Честь окончательного открытия строения молекулы воды, а на ее и структуры воды принадлежит двум английским ученым Дж. Берналу и Р. Фаулеру.

В августовском номере только что созданного международного журнала по химической физике «Journal of Chemical Physics» была опубликована их классическая работа о структуре воды, основанной на взаимодействии молекул воды с себе подобными молекулами и ионами разных сортов.

И что самое интересное, что свое открытие ученые сделали чисто умозрительно.

Правда, в своей научной прозорливости Дж. Бернал и Р. Фаулер опирались на обширный материал накопленных экспериментальных и теоретических данных в области изучения молекул воды, структуры льда, строения простых жидкостей, на данные рентгеноструктурного анализа воды и водных растворов.

Попытки представить воду как ассоциированную жидкость с плотной упаковкой молекул воды, подобно шарикам в какой-либо емкости, не соответствовали элементарным фактическим данным. В этом случае удельная плотность воды (удельный вес) должна была бы быть не 1 г/см3, а более 1,8 г/см3. Это первое. Второе доказательство в пользу особой структуры молекулы воды состояло в том, что в отличие от других жидкостей вода — это было уже известно — обладает сильным электрическим моментом, составляющим ее дипольную структуру.

Поэтому нельзя было представить наличие весьма сильного электрического момента молекулы воды в симметричной конструкции двух атомов водорода относительно атома кислорода, расположив все входящие в нее атомы по прямой линии, т. е. Н-О-Н.

Эти и другие экспериментальные данные, а также математические расчеты окончательно убедили английских ученых в том, что молекула воды «однобока» и имеет «уголковую» конструкцию, а оба атома водорода должны быть смещены в одну сторону относительно атома кислорода (рис.4).

Рис. 4. Форма молекулы воды:
а) электронное облако молекулы воды;
б) взаимное расположение ядер кислорода (О) и водорода (Н) в молекуле Н2O.

Только такая конструкция молекулы воды могла объяснить ажурный способ сцепления молекул друг с другом, структуру воды и необъятный мир ее аномальных свойств.

Дальнейшие многочисленные исследования интернационального мира ученых блестяще подтвердили открытие Дж. Бернала и Р. Фаулера.

В наше время информацию о форме и размерах молекулы воды можно получить, анализируя данные рентгеноструктурного и «машинного» эксперимента, спектра поглощения и других исследований.

Усилиями ученых всего мира, наконец, удалось «увидеть» это удивительное создание — молекулу воды!

На рис. 4 показана форма молекулы воды в газообразной фазе и ее основные конструктивные параметры.

Оказалось, что это — шарик с двумя бугорками и с довольно упругой поверхностью, ограниченной электронным облаком. Это облако не однородно. В области «бугорков», где расположены ядра водорода, выявлен недостаток электронной плотности, а в диаметрально противоположной стороне ближе к ядру кислорода — избыток электронной плотности. Указанная структурная особенность предопределяет полярность молекулы воды.

Используя новейшие достижения науки и исследовательской техники, выдающийся датский ученый Н.Бьеррум пришел к выводу о тетраэдрическом взаимном расположении положительных и отрицательных зарядов в молекуле воды. Согласно Н. Бьерруму, если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов молекулы воды, то получается правильный тетраэдр, рис. 5.

Не трудно догадаться, что каждая молекула воды в кругу себе подобных должна как-то ориентироваться, притягиваясь разноименными зарядами и отталкиваясь одна от другой одноименными зарядами.

Страницы: 1 2 3 4 5

Скачать фаллаут 1, скачать фалаут 2 — фоллаут 1 скачать торрентом

Форма воды: Как выглядят молекулы воды

изображение: Сочетание методов анализа данных с моделированием молекулярной динамики может помочь нам понять структуру воды на поверхности материалов.
посмотреть больше 

Кредит: Токийский университет науки

Понимание различных молекулярных взаимодействий и структур, возникающих между молекулами поверхностной воды, позволит ученым и инженерам разрабатывать все виды новых гидрофобных/гидрофильных материалов или улучшать существующие. Например, трение, вызванное водой на кораблях, можно уменьшить с помощью инженерии материалов, что приведет к повышению эффективности. Другие области применения включают, помимо прочего, медицинские имплантаты и противообледенительные поверхности для самолетов. Однако явления, происходящие в поверхностных водах, настолько сложны, что Токийский университет науки (Япония) учредил специальный исследовательский центр под названием «Наука и технология водного фронтира», в котором различные исследовательские группы решают эту проблему с разных сторон (теоретический анализ, экспериментальные исследования, разработка материалов и т. д.). Профессор Такахиро Ямамото возглавляет группу ученых в этом центре, и они пытаются разгадать эту загадку с помощью моделирования микроскопических структур, свойств и функций воды на поверхности материалов.

В частности, для этого исследования, которое было опубликовано в Японском журнале прикладной физики , исследователи из Токийского научного университета в сотрудничестве с исследователями из отдела научных решений Mizuho Information & Research Institute, Inc. взаимодействия между молекулами воды и графеном, материалом на основе углерода с нейтральным зарядом, который можно сделать атомарно плоским. «Поверхностная вода на углеродных наноматериалах, таких как графен, привлекла большое внимание, потому что свойства этих материалов делают их идеальными для изучения микроскопической структуры поверхностных вод», — объясняет профессор Ямамото. В предыдущих исследованиях уже указывалось, что молекулы воды на графене имеют тенденцию образовывать стабильные многоугольные (двумерные) формы как в поверхностной воде, так и в «свободной» воде (молекулы воды вдали от поверхности материала). Более того, было отмечено, что вероятность обнаружения этих структур в поверхностных водах резко отличалась от в свободной воде. Однако необходимо установить различия между поверхностной и свободной водой, и переход между ними трудно проанализировать с использованием обычных методов моделирования.

Принимая во внимание эту ситуацию, исследовательская группа решила объединить метод, взятый из науки о данных, называемый постоянной гомологией (PH), с моделированием молекулярной динамики. PH позволяет характеризовать структуры данных, в том числе содержащиеся в изображениях/графике, но его также можно использовать в материаловедении для поиска стабильных трехмерных структур между молекулами. «Наше исследование представляет собой первый случай использования PH для структурного анализа молекул воды», — отмечает профессор Ямамото. С помощью этой стратегии исследователи смогли лучше понять, что происходит с молекулами поверхностной воды, когда сверху добавляется больше слоев воды.

Когда один слой молекул воды укладывается поверх графена, молекулы воды выстраиваются так, что их атомы водорода образуют стабильные полигональные структуры с разным количеством сторон за счет водородных связей. Это «фиксирует» ориентацию и относительное положение этих молекул воды первого слоя, которые теперь формируют формы, параллельные слою графена. Если добавить второй слой молекул воды, молекулы из первого и второго слоев образуют трехмерные структуры, называемые тетраэдрами, которые напоминают пирамиду, но с треугольным основанием. Любопытно, что эти тетраэдры в основном направлены вниз (к графеновому слою), потому что такая ориентация «энергетически выгодна». Другими словами, порядок первого слоя передается второму, чтобы сформировать эти трехмерные структуры с постоянной ориентацией. Однако по мере добавления третьего и более слоев образующиеся тетраэдры не обязательно указывают вниз, а вместо этого, кажется, могут указывать в любом направлении, раскачиваемые окружающими силами. «Эти результаты подтверждают, что пересечение поверхностной и свободной воды происходит только в трех слоях воды», — объясняет профессор Ямамото.

Исследователи предоставили видео одной из своих симуляций, в которой выделены эти двухмерные и трехмерные структуры, что позволяет понять полную картину. «Наше исследование — хороший пример применения современных методов анализа данных для получения новых и важных сведений», — добавляет профессор Ямамото. Более того, эти предсказания не должно быть трудно экспериментально измерить на графене с помощью методов атомно-силовой микроскопии, которые, без сомнения, подтвердят существование этих структур и дополнительно подтвердят комбинацию используемых методов. Профессор Ямамото заключает: «Хотя графен представляет собой довольно простую поверхность, и мы могли бы ожидать более сложных водных структур на других типах материалов, наше исследование дает отправную точку для обсуждения более реалистичных поверхностных эффектов, и мы ожидаем, что оно приведет к контролю над поверхностные свойства».

###

О Токийском научном университете

Токийский научный университет (TUS) — известный и уважаемый университет, а также крупнейший специализированный частный исследовательский университет в Японии с четырьмя кампусами. в центре Токио и его пригородах и на Хоккайдо. Основанный в 1881 году, университет постоянно вносит свой вклад в развитие науки в Японии, прививая любовь к науке исследователям, техническим специалистам и преподавателям.

С миссией «Создание науки и техники для гармоничного развития природы, человека и общества» TUS провел широкий спектр исследований от фундаментальных до прикладных наук. TUS применил междисциплинарный подход к исследованиям и провел интенсивные исследования в некоторых из наиболее важных на сегодняшний день областей. TUS — это меритократия, в которой признаются и поощряются лучшие в науке. Это единственный частный университет в Японии, выпустивший лауреата Нобелевской премии, и единственный частный университет в Азии, выпускающий лауреатов Нобелевской премии в области естественных наук.

Веб-сайт: https://www.tus.ac.jp/en/mediarelations/

О профессоре Такахиро Ямамото из Токийского научного университета

Такахиро Ямамото работает в Токийском научном университете с 2003 г., когда он стал научным сотрудником кафедры физики. С тех пор он постепенно поднимался до получения звания профессора на факультетах гуманитарных наук (физики) и электротехники. Теперь он руководит своей собственной лабораторной группой, которая занимается использованием квантово-теоретического моделирования для понимания физических свойств материалов. Кроме того, он работает в Исследовательском центре науки и технологий Water Frontier, где возглавляет исследовательскую группу, целью которой является изучение свойств поверхностных вод с помощью теоретических исследований и моделирования.

Информация о финансировании

Эта работа была частично поддержана грантами на исследовательские исследования (№ 17H02756 и 16H02079) Японского общества содействия развитию науки (JSPS).