Расположение молекул воды: Расположение — молекула — вода

Расположение — молекула — вода

Cтраница 1

Расположение молекул воды и способ связи этих молекул в кристаллических веществах обусловливают их свойства-спайность, пластические деформации, термические, электрические и прочие свойства.
 [1]

Такое расположение молекул воды приводит к снижению плотности вблизи стенок и повышает подвижность молекул в тангенциальном направлении, что можно интерпретировать как снижение вязкости граничных слоев. Макроскопически этот эффект может проявляться как скольжение воды по гидрофобной подложке.
 [3]

Такое расположение молекул воды должно, конечно, нарушать в прилегающих слоях ту взаимную ориентацию, которая характерна для структуры воды. Это должно сказаться и на повышении растворимости в воде иных солей, в частности солей жесткости, уменьшая их осаждение в накипь. Таким дезорганизующим действием должен, по-видимому, обладать всякий постоянно гидратированный ион независимо от того, какое количество молекул воды он вокруг себя удерживает. Переход ионов накипеобразователей из раствора в накипь объясняется тем, что число связанных молекул воды, входящих в гидратную оболочку сольватов, с увеличением концентрации рассола все более увеличивается. В граничном слое пределы насыщения возникают и вновь исчезают при образовании на поверхности нагрева паровых пузырьков. Периодически возникающий локальный дефицит свободных молекул воды приводит к разрушению близрасположенных сольватов. Гидратная оболочка разрушаемых сольватов идет на пополнение поверхностной пленки дистиллята ( расходующейся в процессе интенсивного испарения при контактном росте парового пузырька), а освобождающиеся от гидратной оболочки ионы солей соединяются в кристаллы, частично вновь растворяющиеся, а частично образующие накипь и шлам.
 [4]

Зависимость средней вязкости воды ( т в тонких кварцевых капиллярах от их радиуса ( г.  [5]

Такое расположение молекул воды приводит к снижению плотности вблизи стенок и повышает подвижность молекул в тангенциальном направлении, что можно интерпретировать как снижение вязкости граничных слоев. Макроскопически этот эффект может проявляться как скольжение воды по гидрофобной подложке.
 [6]

Характер расположения молекул воды определяется не только координацией их вокруг того или иного обменного катиона, но и характером расположения поверхностных атомов кислорода.
 [7]

Для большей наглядности расположение молекул воды показано только вокруг одного иона.
 [9]

Структура льда обусловлена расположением молекул воды; в. До сих пор речь шла о пустотах, которые вызываются низким координационным числом молекул воды во льду. Но в нем создаются и другие пустоты, причина образования которых только косвенным образом связана со структурой построения льда. Эти пустоты образуются во время роста кристаллов. Действительно, при росте отдельных кристаллов навстречу друг другу возможны случаи замыкания по всей периферии отдельных участков остающихся в данный момент прослоек воздуха или химически чистой воды. Если в подобных прослойках остается химически чистая вода, она при замерзании вызывает появление участков льда, находящихся под повышенным давлением. Поэтому плотность такого льда существенно меняется при переходе от одного участка к другому.
 [10]

Структура льда обусловлена расположением молекул воды; в связи с низким координационным числом молекул воды во льду структура его обладает большими пустотами; этим и объясняется малая плотность льда по сравнению с плотностью воды. До сих пор речь шла о пустотах, которые вызываются низким координационным числом молекул воды во льду. Но в нем создаются и другие пустоты, причина образования которых только косвенным образом связана со структурой построения льда. Эти пустоты образуются во время роста кристаллов. Действительно, при росте отдельных кристаллов навстречу друг другу возможны случаи замыкания по всей периферии отдельных участков остающихся в данный момент прослоек воздуха или химически чистой воды. В случае, если в подобных прослойках остается химически чистая вода, при замерзании она вызывает появление участков льда, находящихся под повышенным давлением. Поэтому плотность такого льда существенно меняется при переходе от одного участка к другому. Если вода не абсолютно чистая ( что всегда наблюдается на практике), имеющиеся в ней примеси сосредоточиваются в прослойках между отдельными кристаллами.
 [11]

В частности, было выяснено расположение молекул воды, метанола, этанола и метилтетрагидрофурана вокруг избыточных электронов в этих стеклообразных матрицах.
 [12]

Одновременное удаление кристаллизационной воды объясняется расположением молекул воды в фосфате цинка в одной координационной сфере и поэтому прочность связи у всех молекул одинакова.
 [13]

Они с помощью рентгеноструктурного анализа исследовали расположение молекул воды при различных температурах и установили, что наряду с тетраэдрячески координированными молекулами воды в ней существуют и мономеры, находящиеся в плотной упаковке, характерной для простых жидкостей.
 [15]

Страницы:  

   1

   2

   3

   4

Различие в молекулярном строении твердых тел, жидкостей и газов

Лед, вода и водяной пар — три состояния одного и того же вещества-воды. Значит, молекулы льда, воды и водяного пара не отличаются друг от друга. Следовательно, эти три состояния различаются не молекулами, а тем, как молекулы расположены и как движутся. Как же расположены и как движутся молекулы газа, жидкости и твердого тела?

Газ можно сжать так, что его объем уменьшится в несколько раз. Значит, в газах расстояния между молекулами большие, много больше размеров самих молекул. В среднем расстояния между молекулами газов в десятки раз больше размера молекул. На таких расстояниях молекулы очень слабо притягиваются друг к другу, Поэтому-то газы не имеют собственной формы и постоянного объема. Нельзя наполнить газом, например, половину бутылки или стакана, так как, двигаясь во всех направлениях и почти не притягиваясь, друг к другу, молекулы быстро заполнят весь сосуд.

Свойства жидкостей объясняются тем, что промежутки между их молекулами малы: молекулы в жидкостях упакованы так плотно, что расстояние между каждыми двумя молекулами меньше самой молекулы. На таких расстояниях притяжение молекул друг к другу уже значительно. Поэтому молекулы жидкости не расходятся на большие расстояния и жидкость в обычных условиях, сохраняет свой объем. Однако притяжение молекул жидкостей еще не настолько велико, чтобы жидкость сохраняла свою форму. Этим объясняется, что жидкости принимают форму сосуда и их легко разбрызгать и перелить в другой сосуд.

Сжимая жидкость, мы сближаем ее молекулы настолько, что они начинают отталкиваться. Вот почему жидкость так трудно сжать.

Твердые тела в обычных условиях сохраняют и объем, и форму. Это объясняется тем, что притяжение между их частицами еще больше, чем у жидкостей.

Некоторые из твердых тел, например снежинки, имеют естественную правильную и красивую форму. Частицы (молекулы или атомы) большинства твердых тел, таких, как лед, соль, нафталин, металлы, расположены в определенном порядке. Такие твердые тела называют кристаллическими. Хотя частицы этих тел и находятся в движении, но каждая из них движется около определенной точки, подобно маятнику часов, т. е. колеблется. Частица не может переместиться далеко от этой точки, поэтому твердое тело сохраняет свою форму.

На цветной вклейке I, в середине, показано расположение молекул одного и того же вещества — воды — в разных состояниях: а — твердом (лед), б—жидком (вода), в — газообразном (водяной пар). На вклейке II показано расположение частиц в кристалле золота.

Одним из основателей учения о молекулярном строении вещества был великий русский ученый М. В. Ломоносов. Вот как представлял себе М. В. Ломоносов строение газов: «Частицы газа сталкиваются с другими соседними в беспорядочной взаимности, отскакивают друг от друга и снова сталкиваются с другими, более близкими, снова отскакивают, так что стремятся рассыпаться во все стороны, постоянно отталкиваемые друг от друга такими очень частыми взаимными ударами».

На основе представлений о молекулах Ломоносов объяснял многие явления.

Вопросы. 1. Имеется ли отличие между молекулами льда, воды и водяного пара? 2. Как расположены молекулы газов? 3. Почему газы заполняют весь предоставленный им объем? 4. Чем объясняется очень малая сжимаемость жидкостей? Почему они не сохраняют свою форму? 5. Почему кристаллические твердые тела сохраняют свою форму и объем? 6. Кого из русских ученых считают основателем учения о строении вещества?

Метки: водяная парагазгазообразныйгазыжидкийжидкостьколебаниеЛомоносовМолекулымолекулы жидкостейСвойства жидкостейсостояния веществатвердые телафизикаформулачастицы газа

Молекулярный взгляд на воду

Поделиться этой страницей

Представлено Marianne
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 9Тетраэдр 0014 (трехмерная форма, 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 соединяться друг с другом 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.

Эта статья основана на проекте Maths Inside, совместном проекте Plus и Mathematics Promotion Unit (находится в ведении Лондонского математического общества и Института математики и ее приложений) в сочетании с обзором воды глазами молекулы A. выставка и Королевское общество. Проект Maths Inside раскрывает математику четырех специально отобранных экспонатов на Летней научной выставке Королевского общества. Щелкните здесь, чтобы узнать больше о проекте и прочитать статьи, сопровождающие другие выставки.

Чтобы узнать больше о Молекулярный взгляд на воду , посетите http://www.chem.ucl.ac.uk/ice.

Подробнее о…

общественное понимание математики

комбинаторика

математика изнутри

Молекулярные «кубики льда» раскрывают секреты свойств воды

Молекулярные «кубики льда» раскрывают секреты свойств воды
июнь 1997 г.

Молекулярные «кубики льда» раскрывают секреты свойств воды

ЗАПАДНЫЙ ЛАФАЙЕТ, Индиана – Мельчайшие кубики льда в природе дают новую информацию о
уникальные свойства воды.
Исследование Университета Пердью показывает, что когда молекулы воды в газовой фазе охлаждаются
до очень низких температур, крошечные кластеры, содержащие восемь молекул воды, естественно
устраиваются в небольшие кубические структуры.

Кроме того, эти мельчайшие кубики были двух форм, имевших одинаковую массу и структуру.
но отличались расположением водородных связей внутри кубов.

Исследование, опубликованное в номере журнала Science от 13 июня, было проведено
химик Тимоти Цвир, научный сотрудник Калеб Аррингтон и аспиранты
Кристофер Грюнло и Джоэл Карни.

«Эти результаты подтверждают то, что теоретики предсказывали годами, а именно, что восемь
Молекулы воды предпочтительно образуют кубическую структуру, — говорит Цвиер. — Это также обеспечивает
первое доказательство того, что даже в очень маленьких скоплениях воды вода обладает способностью
расположить его водородные связи в нескольких различных ориентациях, как это происходит в
образуя множество различных твердых фаз льда».0003

Исследование дает первое представление о мельчайших кубиках льда в природе и предоставляет новую информацию.
на уникальной способности воды образовывать водородные связи с самой собой, образуя большие сети.
Эта способность придает воде многие из ее уникальных свойств, в том числе необычную способность твердого льда плавать в жидкой воде.

Вода, известная как «универсальный растворитель», также обладает необычной способностью растворять
разнообразные вещества. «Наше понимание воды так важно, потому что все
биологические процессы, в том числе и в организме человека, протекают в
раствор на водной основе», — говорит Цвир.

Что делает воду уникальной, так это водородные связи, которые образуются между молекулами воды и
другие молекулы. Каждая V-образная молекула воды содержит один атом кислорода с центром
между двумя атомами водорода. Молекула удерживается химическими связями, которые
создают небольшой отрицательный заряд на атоме кислорода и небольшой положительный заряд на каждом
атомов водорода.

Такое неравномерное распределение заряда делает молекулу воды чрезвычайно «общительной», энергичной.
связываться с другими молекулами воды и придает воде непревзойденную способность растворяться
соединения.

Чтобы проанализировать, как эти водородные связи образуются в небольших кластерах воды, Цвиер и его коллеги
использовали расширение газа под высоким давлением для охлаждения молекул воды в газовой фазе до температуры
всего 1 градус Кельвина, что эквивалентно -457 градусам по Фаренгейту.

По мере того как вода охлаждалась и конденсировалась в твердые кластеры, некоторые из кластеров включались в
одна молекула бензола на их поверхности. Молекула бензола допускала различные
кластеры должны быть идентифицированы по размеру с использованием лазеров для «взвешивания» кластеров.

Как только он идентифицировал кубические кластеры из восьми, Цвиер и его коллеги применили
инфракрасный лазер для возбуждения кластеров, вызывая водородные связи в крошечных кубиках
растягиваться и сокращаться. Анализируя длины волн этого спектра, он смог
определить молекулярное расположение водородных связей внутри кубов.

Он обнаружил, что кубы были идентичны по массе и структуре, причем каждый куб был сделан
из четырех молекул воды, расположенных поверх остальных четырех молекул. Хотя
водородные связи в верхнем слое каждого куба были ориентированы одинаково,
водородные связи в нижних слоях кубов приняли одно из двух возможных расположений,
с облигациями, обращенными либо в том же направлении, либо в противоположном направлении, что и облигации
в верхнем слое куба.

«Поскольку две структуры практически идентичны по энергии, ориентация, которая
конкретный кластер зависит от конкретных столкновений, которым подвергается кластер
пока это делается», — говорит Цвир.

«Интересно, что уже имея всего восемь молекул воды, вода составляет две
различные «фазы», ​​отличающиеся только ориентацией водородных связей».
он говорит. «Это начало того, что, как мы знаем, верно в твердой фазе. Вода
имеет больше твердых фаз — всего девять — чем любое другое известное чистое вещество, потому что оно может
образуют фазы, различающиеся только ориентацией водородных связей».0003

КОНТАКТЫ: Zwier, (765) 494-5278; электронная почта: [email protected]
Автор: Сьюзан Гайдос, (765) 494-2081; электронная почта: [email protected]
Служба новостей Purdue: (765) 494-2096; электронная почта: [email protected]

Подпись к фотографии
Эти крошечные «кубики льда» показывают две разные твердые фазы воды. Два куба отличаются
только в расположении водородных связей в нижнем слое кубов.