Воды это диполь: ДИПОЛЬ | это… Что такое ДИПОЛЬ?

Учёные обнаружили сегнетоэлектричество в распределённых по нанопорам кристалла молекулах воды

Учёным из МФТИ и ряда зарубежных и отечественных коллективов впервые удалось надёжно реализовать и зафиксировать электрическое упорядочение молекул воды, заперев их в нанопорах кристалла берилла. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

(На фото — кристаллы берилла с водяными молекулами внутри нанопор. Источник — предоставлена авторами статьи.)

В физике твёрдого тела явление существования электрической упорядоченности — взаимной ориентации электрических дипольных моментов — называется сегнетоэлектричеством. Поскольку молекула воды (H₂O) обладает очень большим дипольным моментом (около 1,9 Д; Д — дебай, единица измерения электрического дипольного момента), то можно было бы ожидать, что в жидкой воде эти моменты будут взаимодействовать и как-то взаимно сориентируются, проявят сегнетоэлектрические свойства.

Однако, в жидкой воде подобной ориентации не происходит: молекулы расположены так близко друг к другу, что взаимодействие между ними определяется не дипольной природой, а более короткодействующими водородными связями, которые подавляют дальнодействующие диполь-дипольные силы (взаимодействие стрелочек — молекулярных диполей).

Ситуация кардинально меняется, когда молекулы воды вступают во взаимодействие с какими-либо сторонними структурами или поверхностями, либо помещаются в замкнутые полости достаточно малого (масштаба нанометров) объёма. Тогда роль водородных связей можно приуменьшить за счёт их «переориентации» на эти дополнительные взаимодействия. Вот здесь-то и могут выйти на первый план взаимодействия между водяными диполями.

Рисунок: Молекулы воды в структуре берилла. Красная стрелка — обозначение электрического дипольного момента. Источник — пресс-служба МФТИ.

Коллективу исследователей удалось найти неожиданный и оригинальный способ заставить взаимодействие дипольных моментов молекул воды пересилить водородные связи. Они смогли поместить отдельные молекулы H₂O в наноразмерные полости, образованные ионами кристаллической решётки берилла — минерала, принадлежащего к семейству драгоценных камней (изумруд и аквамарин — наиболее известные разновидности берилла). Эти полости располагаются периодически (что облегчает математический анализ) и, что важно, на таком расстоянии (5–10 ангстрем, стотысячных долей сантиметра), при котором водородные связи (характерная длина взаимодействия 1–2 Å) уже не работают, а диполь-дипольные силы (характерная длина взаимодействия 10–100 Å) всё ещё существенны.

Сегнетоэлектрики имеют несколько особых свойств — «отпечатков пальцев» (fingerprints), которые позволяют экспериментально доказать наличие электрической упорядоченности в какой-либо системе. Это, например, зависимость диэлектрической проницаемости от температуры по закону Кюри – Вейсса, а также наличие мягкой моды (особой линии поглощения) в оптических спектрах и её определённая температурная зависимость. Все эти признаки учёные обнаружили в «растворённой» в берилле воде.

«Нашему коллективу впервые удалось реализовать условия для надёжного наблюдения взаимной ориентации электрических моментов молекул воды. Что касается практических применений обнаруженного явления, то область возможных приложений может быть весьма обширной. Вдобавок, у исследователей появилась возможность изучить влияние на это явление различных факторов: температуры, давления, ионного окружения, и продвинуться в понимании роли явления в различных процессах живой и неживой природы», — говорит Борис Горшунов, руководитель Лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ.

По словам учёных, электрические поля, формируемые ориентированными молекулами воды в условиях их «запирания» в наномасштабных областях — в условиях наноконфайнмента, могут играть ключевую роль в различных явлениях биологии, химии, геологии, метеорологии и даже в процессе формирования планет Солнечной системы.

Результаты многочисленных компьютерных расчётов и моделирований действительно предсказывают упорядочение дипольных моментов молекул воды в ситуациях, когда водородные связи «переключаются», «закорачиваются» на искусственно создаваемые поверхности или полости, такие, например, как углеродные нанотрубки или двумерные металлические подложки. Экспериментально же такого типа сегнетоэлектричество в подсистеме молекул H₂O до сих пор не наблюдалось, несмотря на многократные попытки экспериментаторов по всему миру.

Официальный сайт школы №1 города Коммунара. Школьные работы. Влияние звуковых волн на структуру воды.

Цель: Изучение влияния звуковых волн на структуру воды.

Вода – источник жизни на Земле, поэтому изучение её свойств — крайне важно и актуально всегда.
Человек на 80% состоит из воды. Вода вездесуща и везде необходима. Функции воды весьма разнообразны. Среди ее свойств множество еще не изученых человеком и считаются аномальными. Многие христианские обряды связаны с водой, в т.ч. освящение и крещенские купания, святая и заговоренная вода. Считается, что такая вода обладает целебной и магической силой. Так ли это?

Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Так как масса и заряд ядра кислорода больше чем у ядер водорода, то электронное облако стягивается в сторону кислородного ядра. При этом ядра водорода «оголяются». Таким образом, электронное облако имеет неоднородную плотность. Около ядер водорода имеется недостаток электронной плотности, а на противоположной стороне молекулы, около ядра кислорода, наблюдается избыток электронной плотности. Именно такая структура и определяет полярность молекулы воды.

Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится объемная геометрическая фигура — правильный тетраэдр. Группы молекул, соединенных водородными связями (кластеры) при разной температуре разные – от двух при температуре испарения, до нескольких десятков при замерзании. Внутри кластера имеются полости, в которых недостаточно места для помещения молекулы другого вещества, но вполне могут концентрироваться и храниться различные волны.

Японский исследователь доктор Масару Эмото провел ряд широко известных на сегодняшний день исследований в области структуры воды. Он брал воду с разных источников, в том числе дистиллированную воду и воду из водопровода, и при помощи жидкого азота резко охлаждал, вследствие чего появлялись кристаллики льда, которые исследовали под высокочастотным микроскопом. Проведя такое исследование, он выяснил, что кристаллы льда, полученные из водопровода мегаполиса, были сильно деформированы и некрасивы, в отличие от воды из горных ручьев, чьи кристаллы были столь чисты и красивы, что поражали воображение.

В следующих опытах доктор Эмото брал обыкновенную дистиллированную воду, и наклеивал на пробирки с ней надписи с позитивными эмоциональными пожеланиями, например: Спасибо, любовь, благополучие и т.д., и негативными: ты дурак, зло, ненависть и прочее. После заморозки кристаллы с позитивными надписями стали очень красивыми, яркими и многомерными, а кристаллы из воды с негативными надписями, превратились в полуразрушенные, уродливые и темные.

Так же, исследования показали, что вода, которой говорят теплые и добрые слова, со временем не стареет, даже по прошествии месяцев, а вода, которой говорят слова с негативным оттенком, протухает буквально в считанные дни.

Данная работа состоит в проверке гипотезы сохранения звуковой информации в структуре воды.
Метод исследования заключается в замораживании конденсата на холодном стекле и изучении полученного рисунка. Опыт проведен в трех вариантах:

   1. Контроль – естественные звуки внешней среды;

   2. Чтение молитвы;

   3. Тяжелая рок-музыка.

При изучении морозных рисунков на стекле, выявлено, что все они отличаются друг от друга. На одних рисунках кристаллы воды смотрелись более округлыми. Правильной формы ( при прочтении молитвы), другие более острыми и угловатыми. При многократном повторении рисунок кристаллов изменяется незначительно.

   Вывод: звуковые волны влияют на структуру воды, изменяя её.

                            Автор:
                          Харитончик Вероника


                    Руководитель:
            Петролай Валентина Сафроновна (учитель химии)

Более подробно узнать о влиянии звуковых волн на структуру воды можно изучив исследовательскую работу Вероники и её презентацию. Тезисы её доклада размещены в сборнике «XXXV Всероссийская научно-практическая конференция школьников по химии» — СПбГУ: 2011.

Доклад Харитончик Вероники с использованием презентации


1. Тема моей работы – вода.


2. Нам кажется, что воду мы знаем все. Нам кажется, что о воде мы знаем всё. Это самое известное вещество на нашей планете. Так ли это?


3. Оказывается не так. Вода хранит в себе много тайн и загадок. Она не подчиняется многим физическим законам, проявляет абсолютно необъяснимые свойства, благодаря которым и возникла жизнь на Земле. Многие из этих свойств считаются аномальными.


4. Недавно был праздник крещения. Многие окунались в проруби. Но перед тем как купаться священник освещал воду, и мне стало интересно: действительно ли вода после прочтения молитвы приобретает какие-то необычные свойства?

5. Поэтому я поставила перед собой цель: раскрыть хотя бы одно из этих свойств – Способна ли вода сохранять информацию?

6 Поиск ответа на этот вопрос начала со строения молекулы.

Вода состоит из 2-х атомов водорода и 1-го атома кислорода, соединённых ковалентной полярной связью. У кислорода имеются две неподелённые электронные пары, которые тоже могут образовывать химическую связь по донорно-акцепторному механизму (донор-кислород предоставляет пару электронов, а водород – орбиталь).
Валентный уголь в молекуле воды составляет 105° (угол Н-О-Н). Однако молекулы воды в свободном виде в жидкой воде составляют только 3%, остальные соединяются в группы.

7. Эти группы называются кластеры. Соединение молекул в кластеры происходит с образованием водородных связей (связь между водородом 1-й молекулы с кислородом другой). При этом каждая молекула может присоединять 4 другие молекулы, образуя ТЕТРАЭДР. При образовании водородных связей электронная плотность перераспределяется, и все углы уравниваются, то есть равны 109°28?. Водородные связи воды имеют особое свойство, они могут изменяться в пространстве, изменяя форму кластера. При создании модели кластера, можно увидеть, что очертания его удлинённые, следовательно, льдинки при замерзании имеют форму иголочек. Внутри кластера имеются пустоты, что объясняет увеличение объёма при замерзании воды. Из таких льдинок-кластеров состоит 80% чистой воды.


8. В жидкой воде встречаются разные кластеры, самый крупный состоит из 57 молекул. 6 таких кластеров, соединяясь вместе, образуют структурный элемент воды, размером 912 молекул.

9. Согласно гипотезе японского экспериментатора Масару Эмото и российских учёных Зенина, Резникова, Мосина, вода представляет шести лучевой кластер. Форма кластеров зависит от состояния водородных связей, следовательно, снежинки могут быть разные. На состояние водородных связей и пустот в кластерах влияют различные воздействия внешней среды, в том числе звуковые волны.


10. Вопросом влияния звуковых волн на воду уже заинтересовались многие учёные. Самые известные сторонники этой теории — японский ученый Ямото Масара, который провёл множество экспериментов доказывающих эту теорию, и наш соотечественник С. В. Зенин, защитивший дисертацию по этой теории.


11. Японский исследователь Масару Эмото (Masaru Emoto) приводит удивительные доказательства информационных свойств воды. По результатам его работы опубликованы книги «The Messages from Water» 1, 2 и «Water knows the answer».


12 — 23. Так выглядят кристаллы воды при различных условиях.

24. Своим экспериментом я решила проверить гипотезу учёных о влиянии звуковых волн на структуру воды, были проведены 2 эксперимента:

   1) Изменение структуры воды под действием звука разной силы и частоты.

   2) Воздействие воды, подвергнутой звуковой обработке, на живой организм.


25. Талую воду при температуре 24 градуса по Цельсию в стакане, емкостью 50 мл. помещается в морозильную камеру, накрывается охлажденным стеклянным колпаком. Вода испаряется и на стенках колпака оседает конденсат. Через 40 мин. он замерзает, образуя рисунки разного узора.


26. В контрольном варианте рисунок более спокойный, кристаллы в основном круглые, равномерное распределение по стеклу.

27. Вода, над которой была прочтена молитва, кристаллизовалась с образованием красивого узора, очертания кристаллов в основном круглые и овальные, местами кристаллы образовали веточки.


28. Рисунок, образованный водой «прослушавшей» металлический рок, представлен, в основном, кристаллами игольчатой формы, образующие длинные линии, местами почти параллельные. В некоторых местах скопления кристаллов в виде звездочек неправильной формы.


29. Исходя из этого можно сделать вывод, что звуковые волны оказывают влияние на формирование кристаллов льда.


30. Для второго опыта я использовала декоративное растение Клещевина императрица, потому, что это растение имеет крупные красивые семена. Проращивала их в талой воде, дважды в день воздействуя звуком по вариантам первого опыта.

31. Уже на второй день были видны первые результаты:

   1. При приблизительно одинаковом набухании семян во всех трех вариантах, набухание семенного рубчика более активно наблюдается в вариантах с чтением молитвы и естественным звуковым фоном.

   2. В варианте с рок-музыкой набухание происходит неравномерно.


32. На 3 день в варианте с чтением молитвы наблюдается растрескивание семенной кожуры.


33. Так выглядит итог трехдневного наблюдения изменения семенного рубчика. Семена, обработанные рок-музыкой значительно отстают.


34. Структура воды, измененная воздействием звуковых волн, оказывает воздействие на энергию прорастания семян декоративного растения клещевина императрица.

35. Человек состоит на 80% из воды. И если структура её меняется под воздействием звуков, а это и слова, которые мы друг другу говорим каждый день, и эти слова не всегда приятные.

     Завершить своё выступление хочу словами поэта Вадима Шефнера: Словом можно убить, словом можно спасти, Словом можно полки за собой повести. Поэтому «…Давайте говорить друг другу комплименты…»

Молекулярная структура

. Почему вода является диполем?

Да, это связано с орбиталями.

$\ce{CO2}$ является линейным, поэтому, хотя связи $\ce{C-O}$ имеют отдельные дипольные моменты, общий дипольный момент равен нулю, поскольку они компенсируются (они направлены в противоположные стороны, как показано на схему ниже).

С другой стороны, $\ce{h3O}$ «изогнута», что означает, что отдельные дипольные моменты связи находятся под углом друг к другу. Они складываются, чтобы дать чистый дипольный момент (показан серым цветом на диаграмме). 92$. Из этих четырех электронов два используются в связях $\pi$ и два в связях $\sigma$. Если вы не знаете, что это такое, просто посмотрите на это сейчас так: набор связей между двумя атомами будет иметь одну и только одну связь $\sigma$, а остальные связи $\pi$. Так, любая одинарная связь состоит только из $\sigma$-связи, двойная связь состоит из одной $\sigma$ и одной $\pi$, а тройная связь состоит из одной $\sigma$ и две связи $\pi$. Что на самом деле представляют собой эти типы связей, можно объяснить, если вы знаете, что такое орбиталь.

VSEPR говорит, что геометрия молекулы определяется только $\sigma$-связями и неподеленными парами на центральном атоме. Вы подсчитываете связи $\sigma$ и неподеленные пары (скажем, в сумме они составляют $x$) и решаете геометрию на основе этого. Геометрия представляет собой наиболее стабильную конфигурацию $x$ гибридных орбиталей. Проще говоря, если мы возьмем $x$ воздушных шаров и свяжем их вместе, то направления, в которых они указывают, помогут нам совпасть с тем, где лежат связи и неподеленные пары:

В $\ce{CO2}$ имеется две связи $\sigma$ и две связи $\pi$ (поскольку каждая двойная связь имеет по одной связи каждого типа). Каждая связь забирает один электрон у углерода, поэтому у нас нет оставшихся электронов для образования какой-либо неподеленной пары. Так как у нас есть две связи $\sigma$ и 0 неподеленных пар, $x=2$, что дает нам структуру, заданную первым набором воздушных шаров, которая является линейной. А $\ce{CO2}$ действительно линейно:

Теперь возьмем воду. 4$, то есть 6 электронов. В воде, поскольку у нас есть две одинарные связи, у нас есть одна связь $\sigma$ каждая (и нет связей $\pi$). Таким образом, у нас всего две связи $\sigma$.

Но это оставляет нам $6-2=4$ неспаренных валентных электронов. Они образуют две «одинокие пары» (пары электронов, которые не связаны). С двумя неподеленными парами и двумя $\sigma$-связями $x=4$. Это дает нам тетраэдрическую структуру (третью на воздушной диаграмме). Две из четырех точек тетраэдра заняты неподеленными парами, а две — связями:

(Обратите внимание, что угол 104,5 не совпадает с углом 109,25 в совершенных тетраэдрах — это связано с неподеленной пары отталкивают друг друга)

Итак, наконец, мы имеем следующую «изогнутую» структуру для воды:

Из структуры, показанной выше, очень легко проверить, обладает ли молекула дипольным моментом.

Моменты молекулярного диполя

Моменты молекулярного диполя