Молекулярное строение воды: Как молекулярное строение воды связано с её химическими и физическими свойствами?

Презентация на тему: Российский государственный гидрометеорологический университет

Дисциплина «Экология» Мультимедийный курс.

Лекция 4.

Организм и среда.

Водная среда жизни. Экологические свойства воды. Экологические группы водных организмов.

Кафедра Экологии и биоресурсов

Гидрологический цикл

Постоянный активный кругооборот воды между океаном, атмосферой и водными объектами суши называется гидрологическим циклом. Его движущей силой

является энергия Солнце, а основным источником воды – Мировой океан. Около 25 % всей падающей на Землю солнечной энергии расходуется на испарение воды. Ежегодно таким образом в атмосферу поднимается 511 тыс. км куб. воды, из них с

поверхности океана 411 тыс. км. куб. Примерно 2/3 атмосферной воды возвращается в виде осадков обратно в океан, а 1/3 выпадает на сушу.

Водная среда обитания

млрд. лет назад. Благоприятные условия для синтеза сложных органических молекул создавались в порах увлажненных минеральных пород, например реголита.

Первые живые организмы – протобионты, сформировав защитную полупроницаемую мембрану, смогли достаточно широко распространиться в открытых районах древних морей и продолжить свое эволюционное развитие.

Фотосинтез морских водорослей возник около 2,8 млрд. л.н.

Выход первых растений на сушу состоялся около 450 млн. лет назад в силурийском периоде. На протяжении более 3 млрд. лет, эволюция жизни происходила только в водной среде.

Из 63 известных классов животных 60 классов возникли именно в морях и океанах, а из 32 классов растений типично водными являются 18 классов. Древняя эволюционная связь с морской водой сохранилась у большинства наземных животных, а также у человека в химическом составе крови.

Все организмы живущие в воде называются гидробионтами.

Молекулярное строение и свойства воды

Чистая вода – прозрачная жидкость без вкуса, цвета и запаха. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Так как водород имеет 3 изотопные формы, а кислород – 6, то

существует 36 разновидностей воды, из которых в природных условиях обнаружено 9. Основную массу природной воды образуют молекулы Н12О16 (99,73 %). По своим свойствам тяжелая вода (с молекулярным весом более 18) существенно отличается от обычной. Например, вода, содержащая дейтерий, плотнее обычной на 10,8 %, замерзает при 3,3 ºС, кипит при 101,4 ºС, кроме того, обладает повышенной на 23 % вязкостью.

Молекулярная масса обычной воды равна 18,016 а.е.м. Молекула воды нелинейная, угол между связями H-О-H составляет 104°27′. Связи H-О ковалентные полярные, электронная плотность смещена к атому кислорода. Поэтому атом кислорода способен притягивать атом водорода соседней молекулы воды, образуя водородную связь. Из-за высокой полярности молекул вода является уникальным растворителем других полярных соединений. Поэтому в воде электролиты легко диссоциируют на ионы.

Аномальные свойства воды

Кластерная структура воды

При объяснении аномальных свойств воды возникло предположение, что на самом деле вода – это не единая жидкость,

асмесь нескольких компонентов, которые различаются свойствами, например плотностью и вязкостью. Такими компонентами могут быть различные кластерные структуры (С.В. Зенин,

Б.Полануэром, 1999 – 2006).

Группируясь, тетраэдры молекул воды образуют разнообразные пространственные и плоскостные структуры. Базовой, является всего одна – гексагональная (шестигранная), когда шесть молекул воды (тетраэдров) объединяются в кольцо. Такой тип структуры характерен для льда, снега, талой воды, клеточной воды всех живых

существ. Каждая молекула воды в кристаллической структуре льда участвует в 4 водородных связях, направленных к вершинам тетраэдра. Экспериментально обнаружены кластерные структуры воды включающие в свой состав от 57 до 912 молекул.

Экологические зоны Мирового океана

Молекулярное строение и физические свойства

В природе очень многие атомы существуют в связанной форме, образуя особые объединения, называемые молекулами. Впрочем, инертные газы, оправдывая свое название, образуют одноатомные единицы. Молекулярное строение вещества обычно подразумевает ковалентные связи. Но есть и так называемые условно слабые взаимодействия между атомами. Молекулы могут быть огромными, состоящими из миллионов атомов. Где же встречается такое сложное молекулярное строение? Примеры – множество органических веществ, таких как белки с четвертичной структурой и ДНК.

Без химии

Ковалентные связи, которые держат атомы вместе, чрезвычайно сильны. Но физические свойства вещества от этого не зависят, они зависят от вандерваальсовых сил и водородных связей, которые обеспечивают взаимодействие соседних фрагментов структур друг с другом. Молекулярное строение жидкости, газа или легкоплавящихся твердых субстанций объясняет и агрегатное состояние, в котором мы их наблюдаем при определенной температуре. Для того чтобы изменить состояние вещества, достаточно просто нагреть его или охладить. Ковалентные связи при этом не разрываются.

Границы начала процессов

Насколько высокими или низкими будут точки газообразования и плавления? Это зависит от силы межмолекулярных взаимодействий. Водородные связи в веществе повышают температуры изменения агрегатного состояния. Чем крупнее молекулы, чем больше в них вандерваальсовых взаимодействий, тем труднее твердое вещество сделать жидким или жидкое газообразным.

Особенности аммиака

Большинство известных веществ в воде не растворимы вообще. А те, которые все же растворяются, вступают во взаимодействие, часто с формированием новых водородных связей. Пример – аммиак. Он способен разрушить водородные связи между молекулами воды и успешно построить собственные. Параллельно идет реакция ионного обмена, но она не играет большой роли в растворении аммиака. В основном этим процессом аммиак обязан водородным связям. Реакция же идет в обе стороны, процесс может при определенных температуре и давлении вообще быть в равновесии. Другие растворимые вещества, например этанол и сахара, тоже отлично связываются c водой при помощи межмолекулярных взаимодействий.

Другие причины

Растворимость в органических жидкостях обеспечивается формированием вандерваальсовых связей. Собственные взаимодействия растворителя при этом разрушаются. Растворимое вещество связывается с его молекулами, образуя однородную на вид смесь. Очень многие процессы жизнедеятельности стали возможными благодаря этим свойствам органических веществ.

Току — нет

Почему большинство субстанций не проводит электричество? Молекулярное строение не позволяет! Для тока нужно одновременное передвижение большого количества электронов, своеобразный «колхоз» из них. Так бывает у металлов, а вот у неметаллов почти не бывает. На границе в отношении данного свойства находятся полупроводниковые материалы, имеющие зависимую от среды электропроводность.

Очень многие физические процессы легко объяснимы, если есть информация о молекулярном строении данного вещества. Агрегатные состояния хорошо изучены современной физикой.

Молекулы воды все еще окутаны тайной

Причины для изучения структуры воды

Вода хорошо знакома нам, и ее простая молекулярная структура H ₂ O хорошо известна даже ученикам младших классов средней школы. Хотя трудно поверить, что состояние воды до сих пор не выяснено до конца, вода до сих пор окутана тайной. Хотя люди склонны думать, что научные исследования нацелены только на неизвестные и новые явления, важной задачей научных исследований является попытка найти и прояснить загадочные явления в обычных веществах, таких как вода и лед. Вы можете быть удивлены, узнав, что структура воды изучается в SPring-8, одном из ведущих мировых центров оптических научных исследований. Тем не менее, есть веские причины для проведения таких исследований. Задумывались ли вы когда-нибудь, где лед хранит огромное количество энергии холода (энергии для охлаждения объектов), почему плотность воды максимальна при 4°C и уменьшается как ниже, так и выше 4°C, или почему плотность твердого льда ниже? чем у жидкой воды? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо выяснить структуру воды, вопрос, который до сих пор вызывает споры. Недавно на SPring-8 был проведен структурный анализ воды и льда, и были выявлены некоторые новые факты, которые могут привести к разрешению некоторых давних споров о природе воды.

Водородная связь между молекулами воды

На самой внешней орбитали атомов кислорода находится шесть электронов и один электрон на орбитали атомов водорода (рис. 1). Когда атом кислорода и два атома водорода связываются с образованием молекулы воды (H ₂ O), атомы водорода делят свой единственный электрон с орбиталью атома кислорода, но также делят электрон с атомом кислорода, таким образом образуя сильную связь. связь. Атомы водорода и кислорода стабилизируются, когда их крайние орбитали заполнены двумя и восемью электронами соответственно. Следовательно, между двумя атомами водорода и атомом кислорода образуются сильные связи, называемые ковалентными связями. Таким образом, атомы водорода и кислорода образуют стабильную структуру, разделяя свои электроны.

Считается, что отдельные молекулы H ₂ O существуют независимо и стабильно, так почему же они образуют твердые кристаллы (лед) или жидкость с максимальной плотностью при 4°C (вода)? Считается, что ключом к раскрытию этой тайны является водородная связь, механизм взаимного притяжения между молекулами H ₂ O. Поскольку электроны в двух атомах водорода притягиваются к атому кислорода ковалентной связью, сторона атома водорода, противоположная ковалентной связи, слегка положительно заряжена, тогда как остальные четыре электрона на самой внешней орбитали атомов кислорода, которые не участвуют в ковалентных связях, образуют две неподеленные пары и заряжены отрицательно (рис. 2). Следовательно, две положительно заряженные стороны атомов водорода в H 9Молекула 0005 2 O притягивает отрицательно заряженные неподеленные пары в двух других молекулах H ₂ O, тогда как две отрицательно заряженные неподеленные пары притягивают положительно заряженные стороны атомов водорода в двух других молекулах H ₂ O. Образовавшиеся таким образом связи называются водородными связями (рис. 3), и их прочность оценивается примерно в 10 раз меньше, чем у ковалентных связей.

Приведенный выше механизм означает, что молекула H ₂ O может притягивать четыре других молекулы H ₂ Молекулы O вокруг себя. Легко представить себе пять молекул H ₂ O, размещенных в четырех вершинах и центре правильного тетраэдра. Такие базовые структуры регулярно расположены так, что образуют кристаллы, т. е. лед. Традиционно состояние связи между молекулами H ₂ O во льду и их функции было трудно наблюдать напрямую, и поэтому они анализировались с помощью моделирования молекулярной динамики, а именно путем моделирования взаимодействия между виртуальными атомами и его механизма с помощью компьютера. Однако недавно ученым удалось непосредственно наблюдать структуру и функции льда в высокоточном эксперименте по комптоновскому рассеянию с использованием высокоэнергетического неупругого рассеяния (BL08W) на SPring-8, что подтвердило точность моделирования молекулярной динамики.

Комптоновское рассеяние используется для изучения закономерностей движения электронов в молекулах и атомах-мишенях путем измерения разницы в энергии фотонов до и после того, как частицы рентгеновского излучения (фотоны) сталкиваются с электронами и затем рассеиваются. В приведенном выше исследовании было выяснено, что часть энергии холода во льду запасается в сетчатой ​​структуре, в которой прочность связи молекул H ₂ O увеличивается с понижением температуры, а остальная энергия запасается в виде вибрации. энергия H ₂ молекул О. Ожидается, что это фундаментальное исследование внесет свой вклад в разработку материалов, аккумулирующих тепло, и прояснение характеристик аккумулирования тепла новых материалов в будущем, и было опубликовано в одном из ведущих научных журналов США.

Фиг.0005 2 Молекула O

Атомы водорода, ковалентно связанные с сильно электроотрицательными атомами, такими как атомы кислорода и азота, имеют небольшой положительный заряд, поскольку электроны атомов водорода притягиваются к электроотрицательным атомам. Это позволяет образовывать слабые связи с неподеленными парами в соседних молекулах воды с силой связи примерно в 10 раз меньше, чем у ковалентных связей. Эти связи называются водородными связями. В случае молекул H ₂ O два из шести валентных электронов в атомах кислорода участвуют в двух связях O-H, а оставшиеся четыре валентных электрона образуют две неподеленные пары, что позволяет образовать в общей сложности четыре атома водорода. связывается с соседними молекулами воды.

Загадочная структура воды

В 1892 году Рентген, открывший рентгеновские лучи и получивший первую Нобелевскую премию по физике, предложил модель воды, в которой льдоподобная структура и неизвестная структура смешиваются, образуя воду. Однако в 1933 году, после изучения данных дифракции рентгеновских лучей для воды, профессора Кембриджского университета предложили теоретическую модель воды, в которой структура льда, состоящая из молекул H ₂ O, размещенных в четырех вершинах и центре правильного тетраэдра , постоянно искажается, образуя воду. Эта модель не получила всеобщего признания, но была поддержана многими учеными, поскольку подтверждающие результаты были получены в ходе различных последующих спектроскопических анализов и моделирования трехмерной молекулярной динамики, выполненных с использованием компьютеров, производительность которых быстро улучшалась с XIX века.80-е годы.

В 2008 году Такаши Токусима, научный сотрудник RIKEN, и его коллеги проанализировали структуру воды с помощью яркого мягкого рентгеновского излучения, полученного с помощью RIKEN Physical Science III Beamline (BL17SU), и эмиссионного спектрометра мягкого рентгеновского излучения с с самым высоким в мире разрешением, оснащенный недавно разработанным специальным контейнером (жидкостной проточной кюветой) с окнами из прочных тонких пленок толщиной 150 нм с высоким коэффициентом пропускания для мягкого рентгеновского излучения. Когда электрон вытесняется с внутренней орбитали атома кислорода, ковалентно связанного с атомами водорода, при облучении мягким рентгеновским излучением, электрон с внешней орбитали перемещается на внутреннюю орбиталь, чтобы занять положительно заряженное вакантное положение (дырку). В это время энергия, соответствующая разнице между энергиями электрона на внутренней и внешней орбиталях, высвобождается в виде мягкого рентгеновского излучения. Следовательно, мы можем определить состояние неподеленных пар, исследуя различия в распределении энергии испускаемого мягкого рентгеновского излучения (энергетический спектр). В этом заключается принцип структурного анализа воды методом эмиссионной спектроскопии мягкого рентгеновского излучения (рис. 4). При исследовании спектра мягкого рентгеновского излучения воды (жидкости) этим методом наблюдаются два пика интенсивности, соответствующие неподеленным парам, участвующим в водородных связях (рис. 5). Это открытие предполагает, что одновременно существуют два состояния воды с разными моделями водородных связей. Чтобы изучить это открытие более точно, ученые проанализировали структуру воды с помощью различных методов, например, анализа малоуглового рентгеновского рассеяния, метода наблюдения тонких структур путем анализа картины рассеяния рентгеновских лучей, рассеянных с определенной скоростью. малый угол при облучении материала рентгеновскими лучами и комбинационное рассеяние рентгеновских лучей для наблюдения молекулярных орбиталей без электронов.

Приведенные выше анализы выявили весьма неожиданную структуру воды. В отличие от общепринятой модели, в которой упорядоченная структура льда непрерывно и постепенно искажается, образуя однородную структуру воды, вода, по-видимому, имеет относительно большую вариацию плотности (плотная/тонкая), а именно льдоподобные упорядоченные структуры (с низкой плотности) разреженно распределены в «море» высокой плотности молекул H ₂ O, которые искажены из-за разрыва водородных связей, что приводит к тонкой структуре в виде горошка (рис. 5). Было также обнаружено, что изменение плотности становится малым при высоких температурах и большим при низких температурах. Из-за этого вывода необходимо переоценить модель, предложенную Рентгеном. С тех пор, как результаты были опубликованы в американском научном журнале, раздались призывы модифицировать новую модель воды на основе моделирования молекулярной динамики, и до сих пор продолжаются оживленные дебаты о природе воды. Плотность льда ниже, чем у воды, и плотность воды, наибольшая при 4°C, кажется теперь частично объяснимой, если принять во внимание межмолекулярное расстояние и среднее число H ₂ Молекулы O, окружающие молекулу H ₂ O (порядковый номер). Однако до сих пор остается много неясных механизмов, например, скорость изменения между двумя состояниями воды и то, как на эту скорость изменения влияет растворение вещества в воде. Таким образом, тайны воды до сих пор полностью не выяснены.

Возможно, вы удивитесь, узнав, что упомянутые выше фундаментальные исследования воды необходимы для выяснения механизма растворения веществ в воде и роли воды в биологических организмах и химических реакциях. Однако, например, для выяснения функций биологических клеток, содержащих воду с различными ионами, необходимо полностью понимать структуру воды и состояния соответствующих электронов. Таким образом, надежды на то, что SPring-8 станет мировым лидером в области фундаментальных исследований воды, растут.

рис. 4. Схема эмиссионной спектроскопии мягкого рентгеновского излучения

рис. рассеяние

(слева) Две кривые, полученные в новом эксперименте, т. е. одна указывает на группу молекул H ₂ O, искаженных разрывом водородных связей, а другая указывает на тонкую структуру, подобную структуре льда. Эти кривые соответствуют одной кривой, свидетельствующей о двух различных состояниях воды, полученной ранее при анализе эмиссионного спектра воды (H ₂ О) при комнатной температуре.
(справа) Предлагаемая структура воды. Трехмерная структура для простоты выражена в двухмерной плоскости. При повышении температуры воды плотность компонентов с высокой плотностью уменьшается и приближается к плотности компонентов с низкой плотностью, а контраст в горошек, представляющий плотность, становится малым. Поэтому становится трудно наблюдать разницу между этими компонентами с помощью малоуглового рассеяния рентгеновских лучей. Вышеуказанная структура постоянно изменяется при рекомбинации водородных связей (которые рекомбинируют за 1-2 пикосекунды; пикосекунда составляет одну триллионную долю секунды). Поэтому изменения в структуре воды можно непрерывно регистрировать, если использовать методы получения информации с фемтосекундным разрешением (фемтосекунда — одна квадриллионная секунды), т. е. более быстрым, чем рекомбинация водородных связей, например мягкое рентгеновское излучение. , малоугловое рассеяние рентгеновских лучей и комбинационное рентгеновское рассеяние.

Интервью и оригинальный текст Наричики Хонда

Молекулярный взгляд на воду

Поделиться этой страницей

Представлено Марианной
25 июня 2010 г.

Вода необходима для жизни на Земле, и мы все воспринимаем ее как должное. Тем не менее, у него есть много удивительных свойств, которые веками ставили ученых в тупик. Казалось бы, простые идеи, такие как замерзание воды, непонятны из-за уникальных свойств воды. Теперь ученые используют повышенную мощность компьютеров и новые алгоритмы для точного моделирования свойств воды в наномасштабе, что позволяет увидеть и понять сложные структуры из сотен или тысяч молекул.

«Используя самые современные методы компьютерного моделирования, мы теперь можем объяснить некоторые загадочные свойства воды, такие как рост кристаллов льда, структуру льда под высоким давлением или поведение воды в открытом космосе. Понимание этих конкретных процессов воды имеет большое значение для решения важных современных проблем, таких как образование облаков и изменение климата, криоконсервация клеток и даже поиск внеземной жизни!» — говорит профессор Ангелос Михаэлидес из Лондонского центра нанотехнологий и химического факультета Университетского колледжа Лондона.

Обычный лед имеет шестиугольную структуру, о чем свидетельствует форма снежинки. Гексагональная решетка довольно проста, но существуют определенные правила упаковки молекул воды внутри кристалла, которые делают лед гораздо более сложным и интересным, чем мы могли бы ожидать.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода, связанных с атомом кислорода. Атом кислорода имеет две оставшиеся пары электронов. Эти неподеленные электронные пары и атомы водорода находятся как можно дальше друг от друга, создавая тетраэдрическое расположение. Кислород находится в центре тетраэдр (трехмерная фигура, состоящая из четырех одинаковых равносторонних треугольников) с атомами водорода и неподеленными электронными парами в направлении каждого из углов.

Молекулы воды в кристалле льда не могут соединиться каким-либо старым способом,
из-за их тетраэдрической формы и особого способа их удержания
вместе. Используя раздел математики под названием комбинаторика , мы можем работать
из того, сколько возможных договоренностей есть.

Есть шесть способов выбрать два из четырех углов тетраэдра
для двух атомов водорода. Таким образом, всего существует шесть возможных ориентаций.
молекулы воды, находящейся внутри более крупного кристалла льда.

Но не каждое потенциальное расположение тетраэдров возможно, так как каждое
атом водорода молекул воды должен быть связан с неподеленной электронной парой
соседней молекулы. Фактически, когда ограничения водородных связей
с учетом числа возможных ориентаций данной молекулы
уже не шесть, а 3/2. Следовательно, для кристалла льда с N молекул
(3/2) ^N возможных способов расположения молекул воды.

Кубик льда в вашем напитке имеет объем около 2 см ³ , содержащий около
6 × 10 ²² молекул. Наша математика говорит нам, что существует около (3/2) ^{6 × 10 22} способов
что молекулы воды могут быть расположены в этом кубике льда. Это больше
возможностей, чем количество способов, которыми вы могли бы вытянуть номера лото
каждую неделю после Большого Взрыва! Таким образом, каждый кубик льда, когда-либо созданный
вероятно, будет иметь другое расположение молекул воды внутри него.