Молекула это воды: О СТРУКТУРЕ ВОДЫ – УКРАЇНСЬКИЙ ЦЕНТР ВОДНО-ЕКОЛОГІЧНИХ ПРОБЛЕМ

3. Молекула воды . Вода

В жизни человека, как и в жизни всякого другого существа, вода играет громадную роль. Вода нужна для питья и для приготовления пищи, вода нужна для мытья. Давно человек понял и то, что вода необходима для его полей. Поэтому нет ничего удивительного, что ещё древние народы, жившие тысячелетия до нас, смотрели на воду как на особое вещество, первооснову всего существующего.

«Вода как жидкое, подвижное, всепроникающее, явилась началом всего» — учил около двух с половиной тысяч лет назад «греческий мудрец Фалес Милетский. Лет двести спустя крупнейший философ древнего мира Аристотель насчитывал уже несколько таких первооснов, „основных элементов“ мира, но среди них была и вода.

В высказываниях древних греков, какими бы эти высказывания ни казались нам сейчас по-детски наивными, уже отражалось глубокое понимание значения воды во всех явлениях природы и в жизни человека.

Прошло около 20 веков. Само понятие „элемент“ существенно изменилось. Химическим элементом стали считать простое вещество, которое уже не может быть разложено далее на более простые вещества. Число элементов всё увеличивалось и увеличивалось. В списке этих элементов опять значилась вода.



И этому были причины. Ведь учёные того времени, наблюдая различные явления, в которых участвует вода, никогда не замечали, чтобы она изменялась химически. На глазах их она затвердевала в лёд, но лёд при таянии давал ту же воду. Вода нагревалась до кипения и испарялась, но, охлаждаясь, пары снова собирались в капли воды. Вода как вещество оставалась во всех процессах „самой собой“ и её считали неразложимым, простым веществом.

Только в конце восемнадцатого столетия было сделано важное открытие, что вода есть сложное вещество: вода была получена искусственным путём, при сжигании газа водорода в кислороде. Этим было доказано, что вода состоит из водорода и кислорода.

Приблизительно в это же время сложный состав воды удалось доказать и обратным путём — разложением воды на составные части. Это сделал французский учёный Лавуазье. Через раскалённый ружейный ствол он пропускал пары воды. От действия высокой температуры вода разлагалась. Кислород соединялся с железом, и на внутренней поверхности ствола появлялась окалина (соединение железа с кислородом), а из ствола выходил газ водород.

А несколькими годами позже вода впервые была разложена на её составные части электрическим током. Этим путём было точно установлено, что в воде по весу находится 11,11 процента водорода и 88,89 процента кислорода, причём водорода выделяется из воды по объёму в два раза больше, чем кислорода.

Если оба эти выделившиеся газа смешать, то при комнатной температуре эта смесь может оставаться без изменения очень долго. Чтобы только одна шестая часть этой смеси превратилась в воду, нам пришлось бы ждать 54 миллиарда лет. Но стоит только поднести к этой смеси горящую спичку или пропустить через неё электрическую искру, как между кислородом и водородом моментально произойдёт химическая реакция: водород сгорит в кислороде, и в результате получится вода. Такой опыт надо проводить с большой осторожностью, так как горение всегда сопровождается взрывом большой силы. Поэтому смесь из двух объёмов водорода и одного объёма кислорода и названа гремучей смесью.

Чтобы вызвать реакцию между кислородом и водородом, вовсе не обязательно нагревать всю смесь. Достаточно нагреть самый незначительный её объём. В этом объёме начнётся процесс горения водорода — соединения его с кислородом. При этом выделяется очень много тепла (десять граммов гремучей смеси при горении дают такое количество тепла, которого достаточно, чтобы вскипятить почти пол-литра воды). Выделяющееся тепло передаётся соседним участкам смеси, и процесс горения с чрезвычайной быстротой распространяется по всему объёму.

Температура в пламени гремучего газа превышает 3000 градусов. Поэтому гремучий газ и применяют для автогенной сварки.

Итак, вода — это сложное вещество, состоящее из кислорода и водорода. Как же построена молекула воды? Как располагаются в ней атомы кислорода и водорода?

Современная наука располагает очень точными методами исследования, которые позволяют проникнуть в строение вещества так глубоко, что уже теперь с полной уверенностью можно говорить не только о том, из каких атомов составлены молекулы того или другого вещества, но и о том, как располагаются атомы в молекулах. Каждая молекула воды состоит из трёх атомов: одного атома кислорода и двух атомов водорода. Все три атома расположены в молекуле таким образом, что если мысленно соединить их линиями, то образуется равнобедренный треугольник, то есть треугольник, у которого две стороны равны (рис. 3). В вершине находится атом кислорода, а в двух углах при основании — по атому водорода. Расстояния между атомом кислорода и водородными атомами одинаковы и равны 97 десятимиллиардным долям сантиметра. Расстояние между атомами водорода равно 154 десятимиллиардным долям сантиметра, а угол при вершине, в которой находится атом кислорода, составляет около 105 градусов. Если размер молекулы увеличить в десять миллиардов раз, этот треугольник поместился бы на столе среднего размера.


Рис. 3. Расположение атомов в молекуле воды.


Читатель может спросить: почему атомы в молекуле воды расположены в виде треугольника, а не по прямой линии — в середине атом кислорода, а по краям атомы водорода?

Объяснить это можно так. Всякое тело в природе стремится занять наиболее устойчивое положение. Мяч, брошенный на гладкую крышу, не останется лежать на её покатой поверхности и под действием силы тяжести обязательно скатится вниз. Если мы привяжем к нитке какой-нибудь грузик и будем держать нитку за свободный конец, грузик натянет нить и расположится точно по отвесной линии. Отведём грузик немного в сторону и отпустим, — грузик не останется в новом неустойчивом состоянии и под действием силы тяжести быстро вернётся к своему первоначальному положению. Так и в молекуле воды. Атомы соединены в ней друг с другом силами, которые называют силами химического сродства. Величина и направление действия этих сил таковы, что молекула воды является устойчивой именно тогда, когда атомы образуют треугольник. Всякая другая „постройка“ из атомов оказывается менее устойчивой. И если по каким-либо причинам расположение „атомов“ изменится, то по устранении этой причины атомы вновь образуют такой же треугольник.

Нужно сказать, что силы, удерживающие атомы водорода и кислорода в молекуле воды, весьма велики. Необходима очень большая энергия, чтобы связь между атомами „разорвалась“. Мы можем нагреть воду до 1400 градусов, и из миллиона молекул воды при этой температуре только около ста молекул окажутся разложенными на водород и кислород. Даже при 3092 градусах разрушается только 13 процентов всех молекул воды.

Любая вода, откуда бы она ни была взята, — из Северного Ледовитого океана, из глубокой шахты Донбасса, была заключена в снежинке или сверкала ранним утром в капельке росы на цветке, — любая вода состоят из одинаково построенных молекул. Однако взаимное расположение отдельных молекул друг относительно друга в жидкой воде, снежинке или в паре из парового котла оказывается неодинаковым.

Пары воды, нагретые градусов до трёхсот, при атмосферном давлении подобны обычным газам: в них расстояния между молекулами достаточно велики, так что каждая отдельная молекула может существовать более или менее самостоятельно, не испытывая существенного взаимодействия со стороны своих соседей, за исключением, конечно, тех случаев, когда молекулы в результате беспорядочного теплового движения сталкиваются друг с другом.

В снежинке или кусочке льда молекулы сближены и закреплены в определённых местах кристаллической решётки; движения молекул в большинстве своём ограничиваются колебанием около некоторых средних положений.

А как располагаются молекулы в жидкой воде?

В науке до сих пор ещё нет строгой, твёрдо установленной теории, касающейся строения жидкостей, в частности воды. Предполагается, что жидкая вода по своему строению представляет нечто среднее между кристаллами льда и паром. Изучение строения воды с помощью инфракрасных и рентгеновых лучей дало возможность считать, что при температурах, близких к точке замерзания, молекулы жидкой воды собираются в небольшие группы и „упаковываются“ в пространство приблизительно так, как в кристаллах, а при температурах, близких к точке кипения воды, при нормальном давлении, они располагаются более свободно, беспорядочно. Однако „каркас“, составленный в жидкой воде из отдельных молекул, должен быть очень гибким. Иначе трудно было бы объяснить подвижность воды, способность её быть „рабочим телом“, приводящим в движение тяжёлое колесо турбины, и переносчиком различных питательных веществ по тончайшим сосудам живых организмов.



По-видимому, и в водяном паре при невысоких температурах часть молекул воды объединена или, как говорят, ассоциирована.

Вода — самая распространённая в природе жидкость. Мы так привыкли к воде, к её разнообразным проявлениям, что она нам кажется самой обыкновенной жидкостью. Многие свойства воды положены в основу нашей измерительной системы. Температуру таяния льда мы считаем за нуль градусов, а температуру кипения за сто градусов (по принятой теперь почти всюду шкале Цельсия). Массу воды в объёме одного кубического сантиметра мы принимаем за меру массы — один грамм. Количество тепла, которое поглощает один грамм воды при нагревании на один градус, мы называем единицей теплоты — калорией. Многие измерительные приборы физиков и химиков градуируются по воде, и величины, измеренные для других веществ, обычно сравниваются с числами, полученными для воды. Но если мы внимательно присмотримся к поведению воды в различных условиях и сравним его с поведением большинства других жидкостей, то обнаружим, что наша „обыкновенная“ жидкость ведёт себя очень странно, если этими словами можно выразить своеобразный характер воды, резко отличающий её от всех других жидкостей.

Теперь мы и расскажем о некоторых самых важных и интересных свойствах воды и её отступлениях от общих „правил“ поведения жидкостей.



На этот раз по-настоящему: открыто новое свойство воды

  • Технологии

Фото Getty Images

Физики обнаружили ранее неизвестное свойство воды, связанное с транспортом ионов. Открытие может найти применение в биомедицине и энергетике

Злополучные штудии на тему «молекулярной памяти воды» и других шарлатанских материй приучили просвещенную публику игнорировать научные новости, где сообщается об открытии у воды еще каких-то неизвестных науке свойств. Между тем оказалось, что настоящая наука по-прежнему на такое способна. Речь идет о транспорте ионов — свойстве воды, которое делает ее универсальным растворителем и основой жизни на планете.

Закончили чтение тут

Одно из уникальных свойств воды — способность ее молекул распадаться на ионы водорода и гидроксила. Это качество делает воду уникальным ресурсом для получения энергии. На нем основана технология топливных ячеек, и это же свойство лежит в основе энергетики живой клетки. Ионы водорода и гидроксила не существуют в воде изолированно, на самом деле их окружает паутина целых молекул, которые взаимодействуют друг с другом и с ионами посредством водородных связей. На протяжении последнего столетия считалось установленным, что водородные связи взаимодействуют с протоном и гидроксилом абсолютно симметричным образом («с точностью до наоборот»). Однако последние теоретические модели предсказывали, что это, возможно, не так. Но если водород и гидроксил действительно переносятся водой по-разному, эта асимметрия открывает широкие возможности для разработки процессов, где один из ионов будет иметь преимущество перед другим.

Профессор Алексей Ершов из Нью-Йоркского университета и его коллеги поставили перед собой задачу экспериментально доказать существование такой асимметрии. Разработанная ими установка помогла достичь этой цели, о чем они и сообщают в своей статье.

Теоретически ожидалось, что свойство будет ярче всего проявляться в условиях «максимальной плотности» — при плюс четырех градусах по Цельсию, когда вода даже плотнее, чем лед. Благодаря этому качеству земные водоемы зимой покрываются льдом сверху, а не со дна, в противном случае жизнь в них не смогла бы развиться. При этой температуре с помощью метода ядерного магнитного резонанса исследователи измерили время существования ионов водорода и гидроксила. Разница в этом времени определяет различие в скорости транспорта двух ионов.

Наглядное описание процесса таково. Молекула воды Н2О состоит из атома кислорода и двух атомов водорода. Атом водорода способен прыгать с одной молекулы на другую. Эти прыжки и составляют основу движения «иона водорода» Н+ или, что то же самое, «иона гидроксония» H3O+. Так же движется и ион гидроксила ОН– (молекула воды с оторванным от нее водородом), хотя направление его движения противоположно направлению прыжка. Прыжки атомов зависят от рисунка водородных связей вокруг молекулы, и именно при одной конкретной конфигурации водородных связей ион гидроксила движется заметно медленнее, чем водород. Эта конфигурация наиболее вероятна при температуре максимальной плотности. Исследователи действительно отмечали, что наблюдаемый ими эффект скачкообразно меняется при +4оС.

Марк Такерман, соавтор работы и тот самый теоретик, который ранее предсказал асимметрию в поведении ионов, считает, что открытый эффект открывает дорогу для создания новых материалов, которые будут применяться в альтернативной «чистой» энергетике. Открытие может заинтересовать и биохимиков, занимающихся проблемами клеточной электрохимии и механизмами действия ферментов.

  • Алексей Алексенко

    Автор

#вода
#химия

Рассылка Forbes

Самое важное о финансах, инвестициях, бизнесе и технологиях

Информация:

  • Контактная информация
  • Правила обработки
  • Реклама в журнале
  • Реклама на сайте
  • Условия перепечатки

Мы в соцсетях:

  • Telegram
  • ВКонтакте
  • Flipboard
  • YouTube

Рассылка:

Наименование издания:
forbes. ru

Cетевое издание «forbes.ru» зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций, регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации: серия Эл № ФС77-82431 от 23 декабря 2021 г.

Адрес редакции, издателя: 123022, г. Москва, ул. Звенигородская 2-я, д. 13, стр. 15, эт. 4, пом. X, ком. 1

Адрес редакции: 123022, г. Москва, ул. Звенигородская 2-я, д. 13, стр. 15, эт. 4, пом. X, ком. 1

Главный редактор: Мазурин Николай Дмитриевич

Адрес электронной почты редакции: [email protected]

Номер телефона редакции: +7 (495) 565-32-06

Перепечатка материалов и использование их в любой форме, в том числе и в электронных СМИ, возможны только с письменного разрешения редакции. Товарный знак Forbes является исключительной собственностью Forbes Media LLC. Все права защищены.

AO «АС Рус Медиа»
·
2022

16+

Физическая химия: Захват одной молекулы воды

Физическая химия: Захват одной молекулы воды

Скачать PDF

Скачать PDF

  • Опубликовано:

    NPG Азия Материалы
    (2011)Цитировать эту статью

    • 3938 доступов

    • 1 Альтметрика

    • Сведения о показателях

    Субъекты

    • Углеродные нанотрубки и фуллерены
    • Физическая химия

    Впервые была выделена одиночная молекула воды, заключенная в фуллереновую клетку.

    Молекулы воды никогда не встречаются поодиночке — они всегда связаны водородными связями с другими молекулами воды или полярными соединениями. Именно характер этой всепроникающей водородной связи отвечает за знакомые объемные свойства воды, такие как ее высокая температура кипения и способность течь. Чтобы более подробно изучить роль этих водородных связей, исследователи без особого успеха пытались изолировать воду как единую молекулу. Кей Куротоби и Ясудзиро Мурата из Киотского университета в Японии 1 впервые добились этого, захватив молекулу воды в гидрофобную фуллереновую клетку.

    Рис. 1: Иллюстрация, показывающая захват одной молекулы воды фуллереновой клеткой

    Куротоби и Мурата провели серию органических реакций, чтобы «проколоть» «дыру» шириной в 16 атомов углерода в футбольном мяче C 60 фуллереновые клетки — отверстие достаточно большое для одной молекулы воды (см. изображение). Реакции также помещали атомы кислорода вокруг отверстия клетки, чтобы позволить молекуле воды легче проскальзывать в клетку. Затем исследователи кипятили модифицированный фуллерен в водном растворителе и с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса подтвердили, что молекулы воды были захвачены, как и ожидалось. Была проведена еще одна серия химических превращений, чтобы закрыть отверстие, оставив одну молекулу воды в ловушке внутри каждой неповрежденной фуллереновой клетки. «Мы полностью выделили одну молекулу H 2 O, без каких-либо водородных связей, в ограниченном субнанометровом пространстве внутри фуллерена C 60 », — говорит Мурата.

    Известны и другие методы инкапсуляции атомов и ионов внутри фуллеренов, но ни один из них не подходит для таких молекул, как вода, из-за сложности закрытия относительно большого отверстия, необходимого для улавливания более крупных соединений. Решение этой проблемы было самой умной частью работы Куротоби и Мураты. Отверстие в фуллерене расширяется с 13 атомов в ширину до требуемых 16 атомов только на мгновение во время процесса обратного потока, когда вода попадает в клетку. Затем он быстро сжимается до 13 атомов. Реставрировать маленькое отверстие органическим синтезом проще, чем большее, объясняет Мурата.

    «Теперь я планирую изучить внутренние свойства одной молекулы воды», — говорит Мурата, добавляя, что этот метод также может быть легко адаптирован для инкапсуляции других молекул с потенциальными применениями в солнечных элементах и ​​медицинских продуктах.

    Ссылки

    1. Куротоби, К. и Мурата, Ю. Одна молекула воды, инкапсулированная в фуллерен C60. Наука 333 , 613–616 (2011).

      Артикул
      КАС

      Google ученый

    Скачать ссылки

    Дополнительная информация

    Этот обзор исследования был одобрен автором оригинальной статьи, и все эмпирические данные, содержащиеся в ней, были предоставлены указанным автором.

    Права и разрешения

    Перепечатка и разрешения

    Об этой статье

    Скачать PDF

    The Hydrogen Bond and the Water Molecule

    Select country/regionUnited States of AmericaUnited KingdomAfghanistanÅland IslandsAlbaniaAlgeriaAmerican SamoaAndorraAngolaAnguillaAntigua and BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustraliaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBonaire, Sint Eustatius and SabaBosnia and HerzegovinaBotswanaBrazilBritish Indian Ocean TerritoryBritish Virgin IslandsBruneiBulgariaBurkina FasoBurundiCambodiaCameroonCanadaCanary IslandsCape VerdeCayman IslandsCentral African RepublicChadChileChinaChristmas IslandCocos (Keeling) IslandsColombiaComorosCongoCook IslandsCosta RicaCroatiaCubaCuraçaoCyprusCzech RepublicDemocratic Republic of КонгоДанияДжибутиДоминикаДоминиканская РеспубликаЭквадорЕгипетСальвадорЭкваториальная ГвинеяЭритреяЭстонияЭфиопияФолклендские (Мальвинские) островаФарерские островаФедеративные Штаты МикронезияФиджиФинляндияФранцияФранцузская ГвианаФранцузская ПолинезияГабонГамбияГрузияГерманияГанаГибралтарГрецияГринл andGrenadaGuadeloupeGuamGuatemalaGuernseyGuineaGuinea-BissauGuyanaHaitiHondurasHong KongHungaryIcelandIndiaIndonesiaIranIraqIrelandIsle of ManIsraelItalyJamaicaJapanJerseyJordanKazakhstanKenyaKiribatiKuwaitKyrgyzstanLaoLatviaLesothoLiberiaLibyaLiechtensteinLuxembourgMacaoMacedoniaMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMoldovaMonacoMongoliaMontenegroMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarNamibiaNepalNetherlandsNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNiueNorfolk IslandNorth KoreaNorthern Mariana IslandsNorwayOmanPakistanPalauPanamaPapua New GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairnPolandPortugalPuerto RicoQatarRéunionRomaniaRwandaSaint BarthélemySaint HelenaSaint Kitts and NevisSaint LuciaSaint Martin (French part)Saint Pierre and MiquelonSaint Vincent and the GrenadinesSamoaSan MarinoSao Tome and PrincipeSaudi ArabiaSenegalSerbiaSeychellesSierra LeoneSingaporeSint Maarten (Dutch part)SlovakiaSloveniaSolomon IslandsSomaliaSouth AfricaSouth Georgia and the South Sandwich IslandsSouth KoreaSouth SudanSpainSri LankaSudanSurinameSvalbard and Jan MayenSwazilandSwedenSwitzerlandSyriaTaiwanTajikistanTanzaniaThailandTimor LesteTogoTokelauTongaTrinidad and TobagoTunisiaTurkeyTurkmenistanTurks and Caicos IslandsTuvaluUgandaUkraineUnited Arab EmiratesUruguayUS Virgin IslandsUzbekistanVanuatuVatican CityVenezuelaVietnamWallis and FutunaWestern SaharaYemenZambiaZimbabwe

    Варианты покупки

    Bundle (Hardcover, Ebook) 50% скин. $161.25

    Налог с продаж рассчитывается при оформлении заказа

    Бесплатная доставка по всему миру

    Нет минимального заказа

    Описание

    Водородная связь и молекула воды предлагает синтез того, что известно и в настоящее время изучается тема водородных связей и молекул воды. Самая простая молекула воды, h3O, представляет собой интересную, но плохо изученную молекулу. Его уникальная способность притягивать исключительно большое количество водородных связей вызывает образование плотной «сети водородных связей», которая может изменять свойства окружающих молекул и их реакционную способность. В этой книге описана решающая роль, которую играют молекулы воды. Автор начинает с обзора термодинамических и структурных свойств водородных связей, а затем исследует их гораздо менее известные динамические свойства, благодаря которым они проявляются как центры реактивности. Также рассматриваются методы, используемые для наблюдения за этими компонентами. Во второй части книги рассматривается роль плотной сетки водородных связей, образованной молекулами h3O. Сначала во льду, где он имеет важные атмосферные последствия, затем в жидкой воде и, наконец, в макромолекулах, где он проливает некоторый оригинальный свет на фундаментальный вопрос: «Как получилось, что без воды и водородных связей жизнь не существовала бы?». Книга будет интересна исследователям в области физики, химии, биохимии и молекулярной биологии. Он также может служить учебным пособием для студентов, изучающих химическую физику, химию или молекулярную биологию. Эта книга будет полезна инженерам, работающим в водной отрасли, а также ученым, работающим в области фармацевтики, косметики и материалов.

    Основные характеристики

    * обзор того, что известно и исследуется по теме водородных связей и молекул воды
    * обзор методов, используемых для наблюдения за взаимодействиями между молекулами воды и водородными связями
    * исследуется роль сети водородных связей, разработанной h3O молекулы.