Молекула воды картинка: Картинки «Молекула воды» (43 фото)

В новый микроскоп IBM видно межатомные связи в молекуле / Хабр

alizar
16 сентября 2012 в 19:11

Блог компании IBM Обработка изображений *

Научно-исследовательское подразделение IBM Research в Цюрихе опубликовало картинки, которые удалось сгенерировать с помощью сканирующего атомно-силового микроскопа (АСМ). На изображениях можно различить отдельные атомы углерода в шарообразной молекуле C₆₀. Видны даже химические связи между атомами, то есть перекрывающиеся электронные облака («размазанные» электроны, в терминологии Шрёдингера).

В 2009 году именно эта группа учёных IBM впервые получила фотографию отдельной молекулы: вот этот исторический снимок молекулы пентацена из пяти бензольных колец. Та фотография была сделана при температуре 5°K в сверхвысоком вакууме.

Сейчас учёные значительно увеличили разрешение АСМ, хотя работает он на прежнем принципе. На конце чувствительной головки АСМ помещена отдельная молекула угарного газа (CO), которая раскачивается над сканируемой поверхностью. При приближении к «чужим» атомам наша молекула испытывает силы притяжения и слегка меняет амплитуду покачиваний.

Замеряя изменения в амплитуде, АСМ рисует изображение сканируемой поверхности с невероятным разрешением 3 пикометра (3 × 10^-12 м), что чуть больше 1/100 от диаметра атома углерода. Синие и зелёные цвета на «фотографии» — это условность.

Столь высокая разрешающая способность микроскопа открывает удивительные перспективы: мы можем своими глазами увидеть, как происходят химические реакции на молекулярном уровне, а также лучше изучить структуру материалов с уникальными свойствами, таких как графен. Теоретически было известно, что атомы углерода в графене и других веществах находятся на разном расстоянии друг от друга и отличаются силой связей: если в том же графене они сильные, то в молекулах, например, ароматических углеводородов связи гораздо слабее, хотя атомная решётка там похожей гексагональной формы. Теперь мы можем своими глазами увидеть эту разницу.

Лучшее изучение молекулярной структуры продвинет вперёд исследования новых материалов и позволит создать более эффективные органические фотоэлементы, органические светодиоды (OLED) и другие материалы.

Результаты исследования IBM Research опубликованы в журнале Science.

Теги:

• IBM Research
• АСМ
• атомно-силовой микроскоп
• фотография молекулы
• межатомные связи
• графен

Хабы:

• Блог компании IBM
• Обработка изображений

Всего голосов 207: ↑200 и ↓7 +193

Просмотры

137K

Комментарии
220

Анатолий Ализар
@alizar

автор, фрилансер

Telegram

Комментарии
Комментарии 220

Обои для рабочего стола Голубые молекулы воды в вечном движении океана фото

НАВИГАЦИЯ: ОБОИ ДЛЯ РАБОЧЕГО СТОЛА >> ОБОИ 3D графика >> Разная 3D-графика >> Обои Голубые молекулы воды в вечном движении океана

Похожие обои на Голубые молекулы воды в вечном движении океана:

Красивые домики и ветряные мельницы в вечном крае летаРазное

Там где я твердил о вечном, в меня бросали все камнямиРисованные

Хаотичное движение молекулАбстракции

Слипшиеся молекулы воды в мореАбстракции

Движения воды в глубина океанаАбстракции

Красные молекулыАбстракции

Молекулярная абстракцияАбстракции

Оранжевая молекулаАбстракции

Жёлтая молекула3D графика

Разбитая на молекулы зелёная жидкостьАбстракции

Молекулярные связиАбстракции

Соединения молекул несутся вдоль хромированной дуги3D графика

Многополярная «решётка» из маленьких, круглых молекул и атомовАбстракции

Стека однородных атомных комбинаций с красными молекулкамиАбстракции

Разложенная на молекулы, вибрации и бинарный кодАбстракции

На фоне химической структуры носятся прозрачные молекулкиАбстракции

Замёрзшие цепочка ДНК и биологические молекулы3D графика

Макет молекулыМедицина

Молекула ДНКМедицина

Модель молекулы на каменной поверхносте3D графика

Молекула измеренияАбстракции

Молекула ДНК3D графика

Молекула в пространствеАбстракции

Оранжевые молекулы3D графика

ХОЧУ ЕЩЕ ТАКИХ ЖЕ ОБОЕВ! >>

Мнения и комментарии к данной картинке

Комментариев к данной картинке пока нет.

Совет по выбору обоев — Самовыражение:

Обои для рабочего стола могут стать отличным полем для самовыражения, причем, это поле достаточно просторное, даже, для самых креативных индивидов. Экранный фон может говорить о предпочтениях или взглядах человека, который установил этот фон. Обои рабочего стола помогут вам выразить свои музыкальные предпочтения или, например, социально-политические взгляды. Также, это может быть шутливая или забавная картинка, которая подчеркивает ваше оптимистичное отношение к жизни. Может быть, вы ждете премьеру какого-нибудь фильма с любимым актером? Разместите постер к фильму на рабочий стол вашего ПК, пусть все узнают о новом фильме! Изображение на рабочем столе поможет вам проявить себя и открыться окружающим.

НОВЫЕ ОБОИ НА САЙТЕ

рисунок и рукaРисованные

роботы зеленые и один светится андроидЛоготипы

Разноцветныe листикиПраздники

Сочный бисквитЕда и напитки

Nikon на штативеФотоаппараты

Пассажирский самолет Air FranceАвиация

Необычные колготки на девушкеДевушки

Сердечко из камушeкЛюбовь

NEW!   БАНК ОБОЕВ. МИКС

Представляем Вашему вниманию Банк Обоев.Микс — удобная возможность выбрать понравившуюся картинку из списка,
который составляется случайным образом!

Первые изображения водородной связи

Здесь показаны пять молекул воды и водородные связи между ними. Символ 8+ означает наличие небольшого положительного заряда в той части молекулы (где расположены белые атомы водорода), а символ 8- означает небольшой отрицательный заряд (более крупные красные атомы кислорода). Эти связи придают воде особые свойства, которые делают возможной жизнь на Земле.

Википедия/Магасьюкур2

Ученые только что впервые увидели одно из самых важных физических взаимодействий в нашем мире — особый тип связи, называемый водородной связью, который скрепляет нашу ДНК и придает воде ее уникальные свойства, включая поверхностное натяжение.

Когда крошечный атом водорода находится в молекуле с гораздо большим атомом, например азота или кислорода (например, в воде), этот более крупный атом отнимает часть отрицательного заряда от меньшего, придавая меньшему небольшой положительный заряд на одном краю. Этот слегка положительный заряд электрически притягивается к слегка отрицательному заряду большого атома другой молекулы.

На изображении справа вы можете видеть, как большие красные атомы (в данном случае кислорода) притягивают атомы водорода в других молекулах воды вокруг него. Эти пунктирные линии — водородные связи.

Теперь мы можем увидеть реальную картину водородной связи между молекулами 8-гидроксихинолина на изображениях ниже. Химическое вещество образует водородные связи и лежит плоско в одной плоскости, поэтому его легче визуализировать.

В левой колонке показаны изображения, полученные с помощью микроскопа, а в правой — шарико-стержневые модели, показывающие расположение атомов. Красные молекулы — кислород, синие — азот, белые — водород.

Наука/Чжан

Водородная связь образуется между водородом, присоединенным к красному кислороду, и атомом азота.

Еще несколько изображений молекул с разными связями водородных связей:

Чжан и др. др., Научный экспресс, 2013 г.

Команда из Китайской академии наук опубликовала свое исследование в журнале Science 26 сентября.

Ученые использовали подход, называемый атомно-силовой микроскопией, для получения изображений, которые позволяют видеть детали на уровне долей нанометра.

Другая группа исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли использовала аналогичный метод в мае, чтобы получить первые изображения ковалентных связей, соединяющих атомы в молекулы. Они опубликовали исследование в журнале Science 30 мая. Вы можете увидеть ковалентные связи между атомами углерода ниже. Теоретические модели находятся рядом с реальными изображениями.

Наука/Отейза

CHEM 101 — Вода

ОБЩИЕ ХИМИЧЕСКИЕ ТЕМЫ

Вода

Вода как наглядный пример основных понятий и тем в химии,
в основном связь между молекулярной структурой и наблюдаемыми объемными свойствами

Вода (H ₂ O) — знакомое, но увлекательное вещество.
Это дает нам возможность рассмотреть свойства трех фаз материи —
газообразная, жидкая и твердая фазы — на знакомом и важном примере.
В химическом отношении вода представляет собой одновременно
кислота и основание ,
и является эффективным катализатором реакций переноса протона.
Вода играет центральную роль в жизни и биохимических процессах, происходящих в живых организмах.
Поскольку большая часть земной поверхности покрыта водой,
его свойства оказывают огромное влияние на планетарную среду, позволяя
и поддержание развития биосферы.

Одна из основных тем общей химии, которая также иллюстрирует, как химия
относится к быту — это соотношение свойств веществ
и процессы, которые мы наблюдаем
— часто с нашими невооруженными чувствами — в макроскопическом масштабе с природой материи и
энергии в ультрамикроскопическом масштабе атомов и молекул.
На самом деле структуры атомов и образуемых ими молекул,
а события, происходящие на атомном и молекулярном уровне, являются фундаментальными
в объяснении наблюдений химии в макроскопическом царстве .
Таким образом, для воды характер
химические связи
между кислородом и двумя атомами водорода определяют характеристики молекулы воды.
Это, в свою очередь, позволяет анализировать межмолекулярные силы между
молекулы воды и взаимодействия между водой и другими химическими веществами.
На основании этих особенностей молекулярного уровня можно объяснить
физико-химические свойства воды в массе, такие как ее относительно высокие значения для
температуры плавления и кипения, теплоемкость, поверхностное натяжение и диэлектрическая проницаемость;
его способность действовать как растворитель для большого разнообразия веществ и как
среда для всех видов химических реакций, в том числе с участием кислот и оснований,
в которых сама вода имеет склонность участвовать.

Структура молекулы воды

Для начала сгенерируем
Структура Льюиса
для молекулы воды на основе ее молекулярного
формула, H ₂ O. Символы Льюиса для элементов
показаны на панели (а) ниже: кислород имеет шесть валентных электронов, а водород только один.

На панели (b) показано, как соединить три атома вместе, чтобы сформировать полный октет для центрального
атом кислорода. Водород, как элемент с периодом 1, может разместить только два электрона в своей валентности.
оболочки и образует только одну связь. На панели (c) мы применили символическое соглашение, согласно которому
два общих электрона, которые образуют химическую связь между атомами, могут быть представлены линией.
Имея действительную структуру Льюиса, мы можем сделать вывод о молекулярной геометрии молекулы воды.
Октет центрального кислорода можно рассматривать как состоящий из четырех электронных доменов,
две связывающие пары и две несвязывающие «одинокие пары».
Применение теории ВСЕПР к этой конфигурации приводит к выводу, что
эти четыре электронных домена в первом приближении расположены вокруг центрального атома кислорода.
в виде тетраэдра.
Основной вывод, который из этого следует, состоит в том, что расположение атомов в молекуле Н-О-Н
не линейный, а изогнутый, с ожидаемым валентным углом, близким к тетраэдрическому значению,
1090,5°. Поскольку неподеленные пары распределяют отрицательный заряд по большему объему, чем связывающие пары,
электростатическое отталкивание немного сближает связующие пары,
поэтому фактический валентный угол должен быть немного меньше 109,5°.
Как мы покажем ниже, мы также можем использовать структуру Льюиса для анализа того, является ли молекула воды
имеет полярность.

То, что мы называем «молекулярной формой», — это то, что мы видим, когда смотрим только на атомы.
из которых состоит молекула. Экспериментальные методы, такие как рентгеновская кристаллография, которые могут определить местонахождение
расположение атомов в молекулах показывает форму молекулы воды.
На приведенных ниже диаграммах представлена ​​экспериментально определенная молекулярная форма.

В соответствии с нашим анализом с использованием формализма Льюиса форма воды угловатая или изогнутая.
с валентным углом HOH 104,5 °. Это согласуется с примерно тетраэдрической ориентацией
из четырех электронных доменов вокруг центрального кислорода, двух связывающих пар и двух несвязывающих
«одинокие пары».

Длина связи H-O составляет 0,958 Å (1 Å = 10 ^-10 м).
Поскольку кислород значительно более электроотрицательный, чем водород,
большая часть отрицательного заряда электронов в связывающей паре сосредоточена вблизи кислорода.
Это небольшое разделение заряда вдоль оси отдельной связи (обозначаемое обозначением δ)
создает связь диполь . Диполи связи можно рассматривать как векторов ,
и в сумме дают другой вектор, молекулярный дипольный момент .

Выше : два изображения молекулярной формы молекулы воды: шарообразная (вверху) и заполняющая пространство (внизу). Кислород — это центральный атом, показанный красным цветом, а атомы водорода — светло-серым.

Если молекула имеет ненулевой дипольный момент, говорят, что он равен 9.0023 полярный ,
или иметь полярность .
Для геометрии молекулы воды компоненты диполя связи параллельны линии
разделив пополам валентный угол HO (пунктирная вертикальная линия на рисунке), сложите вместе,
в то время как перпендикулярные (горизонтальные) компоненты сокращаются.
Это приводит к тому, что чистый дипольный момент выровнен с биссектрисой валентного угла,
отрицательным концом вверх (стрелка на правой панели выше).
Таким образом, молекула воды обладает значительным дипольным моментом,
который можно смоделировать как вертикально ориентированное разделение частичных зарядов
(обозначены буквой ξ на рисунке). Другими словами, молекула воды полярна.

Если бы они были показаны в таком представлении, неподеленные пары выступали бы вверх от кислорода.
вперед из плоскости и назад за плоскость рисунка (см. следующий рисунок ниже).

Свойства воды

Мы утверждали, что вода может служить образцом для поиска
одной из самых фундаментальных целей в изучении химии,
понять, как наноразмерные молекулярные свойства воды объясняют
для свойств, которые мы наблюдаем за веществом в объеме, в макроскопическом масштабе.
Чтобы начать решать эту задачу более явно, мы будем использовать «расширенный»
версия структуры Льюиса для молекулы воды, показанная ниже справа.

Учитывая структурную интерпретацию молекулы воды, что
межмолекулярные силы могли бы мы предсказать, что они будут играть важную роль в определении
его объемные свойства?
Диаграмма справа показывает геометрию молекулы воды, полярность ее связей,
молекулярный дипольный момент и ориентация неподеленных пар.
Вода не только полярная молекула, но и может образовывать межмолекулярные соединения.
водородные связи

(Н-связи).
Относительно сильные межмолекулярные силы, возникающие в результате диполь-дипольных взаимодействий и взаимодействий Н-связей.
учитывать такие свойства, как высокая температура кипения для небольшой молекулы,
высокая энтальпия парообразования , большая теплоемкость ,
способность растворять полярные и многие ионные соединения.

Фактически, вода является образцом в мире молекул с водородными связями. Каждая молекула воды имеет две неподеленные пары, которые служат акцепторами водородных связей, а две связи OH обеспечивают пару доноров водородных связей. На рисунке слева изображена одна Н-связь между двумя молекулами воды. Крайняя левая молекула воды является донором водородной связи, а молекула воды справа является акцептором водородной связи.

Структура льда

Структура льда показывает способность молекул воды образовывать межмолекулярные водородные связи или Н-связи (обозначены пунктирными линиями на рисунке справа) в ее максимуме. Каждая молекула воды внутри решетки (то есть не на поверхности) образует водородные связи с четырьмя соседями, принимая двух доноров водородных связей у своего центрального атома кислорода и отдавая две водородные связи через два своих атома водорода. Таким образом, каждая внутренняя вода полностью связана водородными связями, а общая структура образует трехмерную гексагональную решетку молекул воды. Обширные водородные связи придают прочность ледяной решетке, но в то же время дают относительно открытую структуру. Это объясняет тот факт, что при температуре плавления или около нее жидкая вода имеет большую плотность, чем лед. Когда структура льда тает, некоторые водородные связи разрываются, и менее жестко связанные молекулы воды могут приблизиться друг к другу в среднем немного ближе.

Вода как растворитель

Способность воды действовать как растворитель связана с полярностью молекулы воды, а также с ее способностью образовывать водородные связи с растворенными веществами. Как мы видели, молекула воды полярна, и ее дипольный момент можно представить в виде вектора, делящего пополам валентный угол H-O-H. Дипольный момент молекулы действует аналогично стержневому магниту в магнитном поле. Отрицательный конец диполя будет иметь тенденцию ориентироваться на положительно заряженные частицы, в то время как наличие отрицательного заряда будет притягивать положительный конец диполя. Таким образом, выравнивание диполя с локальным электрическим полем снижает электростатическую потенциальную энергию, что делает выравнивание предпочтительным.

На рисунке справа показано, как это работает для ионов, образующихся в результате растворения хлорида натрия (NaCl) в воде. При растворении ионы, составляющие соль, диссоциируют от твердой кристаллической решетки. Благоприятные электростатические взаимодействия ионных связей решетки теряются, повышая потенциальную энергию, но диполь-ионные взаимодействия помогают компенсировать это. Молекулы воды вблизи ионов ориентируют свои дипольные моменты в соответствии с зарядами ионов — положительные концы их диполей в сторону хлорид-аниона; отрицательные концы диполя молекулы воды направлены в сторону катионов натрия. Это называется гидратация или вода , а вовлеченные молекулы воды называются водой гидратации (или аквацией).

Растворимость данного ионного соединения в воде в значительной степени определяется
энергетический баланс между ионными связями в твердом состоянии
(плюс водородные связи между молекулами воды в жидком состоянии) по сравнению с ионно-дипольными взаимодействиями
между растворенными и растворяющими веществами в растворе.
Мы знаем, что не все ионогенные соединения свободно растворимы в воде.
и мы можем полагаться на эмпирические правила разрешимости

чтобы помочь нам ответить на вопрос, растворимо ли данное ионное соединение в воде. Но приведенные выше соображения об энергетике ионных связывающих и несвязывающих взаимодействий во многом определяют правила растворимости. Кроме того, по сравнению с менее полярным растворителем (таким как метанол) или неплавучим растворителем (таким как гексан или бензол) вода является гораздо более эффективным растворителем для ионных соединений. Неполярные или слабополярные растворители не так эффективны, как вода, при сольватации диссоциированных ионов, поэтому нам не нужны правила растворимости для ионных соединений в таких растворителях — мы бы однозначно предсказывали, что ионные соединения нерастворимы в неполярных растворителях.

Для молекулярных соединений вода обычно является отличным растворителем для соединений с полярными молекулами.
и тем более для полярных молекул, способных образовывать Н-связи с молекулами воды.

Вода и жизнь

Хотя они достаточно сложны и неоднородны по строению и составу, живые клетки в значительной степени представляют собой водные системы. Тот факт, что вода в основном является жидкостью в широком диапазоне температур, характерных для земной поверхности, и ее способность растворять самые разнообразные соединения, делает возможным существование таких сложных систем. Воду по праву можно назвать растворителем жизни. Конечно, если мы хотим понять биологическую химию, нам следует тщательно изучить свойства воды.

В связи с этим часто упоминается необычное свойство воды образовывать твердое тело.
с меньшей плотностью, чем жидкое состояние.
Относительно открытая структура льда максимизирует способность водородных связей льда.
составляющие молекулы воды, что делает эту открытую структуру энергетически выгодной.
Когда лед тает, часть водородных связей разрывается, что позволяет молекулам воды
приблизиться друг к другу немного ближе в среднем.
Таким образом, жидкая вода, находящаяся в равновесии со льдом при 0°С, более плотна, чем лед, который плавает.
Вода имеет максимальную плотность в жидком состоянии при температуре 4°C.
Это имеет огромные последствия для биосферы Земли.
Озера и океаны замерзали бы снизу вверх, если бы лед был плотнее воды.
Это привело бы к тому, что большая часть воды на Земле оказалась бы запертой в виде льда.

Особо следует отметить среди химических свойств воды то, что она одновременно
кислота и основание
хотя очень слабая кислота и очень слабое основание,
а реакции переноса протона легко и быстро протекают между молекулами воды.

H ₂ O ( L ) + H ₂ O ( L ) = H ₃ O ⁺ ( AQ ) + OH ^– ( AQ ) 49041414141414141414141414141414141414141414141414141414141414141414141414141414141414141414141414141414141414141414141414141414141414141414141414141414141414. ^– ( AQ ). ^{.0032 w = [ H + ][ OH — ]
= 1,0 × 10 −14  (при 25°C).}