Взаимодействие частиц воды: Взаимодействие частиц с веществом

1.7. Взаимодействие минеральных частиц и воды в грунтах Гидростатическое взвешивание

По
закону Архимеда, тело, погруженное в
жидкость, теряет в весе столько, сколько
весит
вода в объеме тела. Поэтому удельный
вес минеральных частиц, погруженных в
воду, уменьшается на величину удельного
веса воды γ_w,
то есть на 10 кН/м³:

Соответственно с
учетом пористости уменьшается и удельный
вес грунта:

если
удельный вес грунта определен в
естественном состоянии с заполнением
всех пор водой (),
то во взвешенном состоянии:

Подъем
уровня грунтовых вод может привести к
изменению физических свойств грунт

Капиллярные явления в грунтах

Е

Рис. 1.5. Капиллярные
явления в грунтах.

сли поры не полностью заполнены
водой, то между частицами возникают
тонкие пленки влаги, на поверхности
которых действуют силы поверхностного
натяжения. В контактах частиц пленки
искривлены и образуют так называемые
мениски. Благодаря кривизне менисков
создается сила,стягивающая
частицы между собой. Эта сила тем больше,
чем меньше радиус кривизны мениска:

где: α= 0,075 г/см —
поверхностное на

тяжение
воды;(0,00075Н/м)?

R₁
и R₂
— радиус минеральных частиц и радиус
кривизны мениска, см.

Е

Рис. 1.6. Схема
капиллярного поднятия воды в грунтах.

сли в образец влажного грунта
подавать снизу воду, то силы поверхностного
натяжения в менисках будут вызывать ее
подъем вверх по капиллярным ходам между
частицами. Высота капиллярного поднятия
определяется формулой:

где: —
средний радиус пор, см;

≈10
кН/м³
– удельный вес воды.

Силы капиллярного
взаимодействия в пылеватом песке,
супесях и суглинках, во много раз больше
веса частицы. Эти силы и создают связность
влажного песка. В крупном песке роль
капиллярных сил невелика.

В
крупном песке высота капиллярного
поднятия составляет h=2-3
см, в мелком h=20-30
см, пылеватом h=100-200
см, в суглинке h>600
см. Капиллярные явления имеют существенное
значение именно в этих грунтах. В глинах,
где частицы и поры очень малы, на первый
план выступают электрические и
молекулярные силы, действующие на
поверхности минеральных частиц.

Электрические и молекулярные взаимодействия влаги с поверхностью глинистых частиц. Удельная поверхность

Удельная
поверхность
– суммарная площадь поверхности частиц
на единицу массы [м²/г],
зависит от размера частиц. Чем меньше
размер частиц, тем больше их удельная
поверхность. Удельная поверхность
глинистых частиц много больше удельной
поверхности песчаных частиц. Поэтому
взаимодействие влаги с поверхностью
частиц наиболее выраженно проявляются
в глинистых грунтах.

Для
глинистых грунтов характерно присутствие
некоторых минералов, обладающих весьма
интересными свойствами. Мы рассмотрим
только два из них — каолинит и монтмориллонит.
Их частицы хорошо видно только в
электронном микроскопе при увеличении
порядка 25000 —
30000 раз.

Каолинит
состоит из пластинчатых шестигранных
кристаллов крупностью порядка 0,005 мм.
Монтмориллонит состоит из тончайших
иголок диаметром порядка 0,00005 мм.
Удельная
поверхность
каолинита среди других глинистых
минералов самая маленькая – 10 м²/г,
у монтмориллонита – самая большая –
800 м²/г.
В соответствии с этим, взаимодействие
с влагой у каолинита умеренное, а у
монтмориллонита весьма интенсивное.
Кроме того, кристаллическая решетка
монтмориллонита подвижная и допускает
проникновение влаги внутрь кристалла,
что вызывает сильное разбухание. У
каолинита этого нет.

Общим для обоих
минералов является одно очень важное
обстоятельство, строение кристаллических
решеток всех глинистых минералов таково,
что на их поверхности всегда присутствует
большое число неуравновешенных
электрических зарядов. В глинистых
минералах это главным образом заряды
отрицательные.

В свою
очередь, на молекулах воды имеются
положительные и отрицательные заряды.
Расстояние между ними равно 0,96 ангстрем
или 1х10^-8
см.
Благодаря этому, молекула воды
ориентируется в электрическом поле
минеральных частиц, как магнитная
стрелка в магнитном поле Земли. Она
притягивается своим положительно
заряженным концом к местам отрицательных
зарядов на поверхности минеральных
частиц с большой силой.

Если в воде нет
растворенных солей, то происходит прямое
взаимодействие молекул воды с
электрическими зарядами на поверхности.

Котрицательному концу первой молекулы
притягивается следующая, к той, в свою
очередь – третья, и образуется слой
прочно связанной воды толщиной в
несколько молекул, в котором господствует
давление в несколько тысяч атмосфер,
плотность воды увеличивается вдвое, и
вода приобретает свойства твердого
тела.

П

Рис. 1.7. Схема
взаимодействия частиц с водой.

о мере удаления от поверхности
минеральной частицы электрическое
взаимодействие ослабевает и за слоемпрочносвязанной
воды
следует более толстый (сотни молекул)
слой рыхло
связанной воды,
которая уже обладает свойствами жидкости,
но все еще настолько сильно связана с
минеральными частицами, что удалить ее
можно только испарением.

В формировании
описанных водных пленок, кроме
электрических сил принимают участие
молекулярные силы Ван-дер-Ваальса,
имеющие более сложную физическую
природу. Поэтому сумма прочно- и
рыхлосвязанной воды называется
максимальной молекулярной влагоемкостью
грунта (ММВ).

Эта
величина имеет большое значение для
строительных свойств грунта. По значению
она близка к влажности на границе
раскатывания W_P.
При влажности меньше максимальной
молекулярной, грунт имеет твердую
консистенцию, при равной ей он хорошо
обрабатывается строительными машинами
и хорошо уплотняется, при дальнейшем
повышении влажности он становится
липким и пластичным.

По мере уменьшения
содержания воды, прочность глинистого
грунта растет. Когда последняя влага
испарится из грунта, его прочность
достигает максимума. Но тогда прочность
обеспечивается силами прямого
молекулярного притяжения. Так как
глинистые частицы очень малы, то число
таких контактов громадно.

Если
сухой глинистый грунт поместить в воду,
то пленки влаги будут
проникать
между частицами, вклинятся между ними
в контактах, грунт сделается пластичным,
и прочность его резко упадет. При
дальнейшем увлажнении в результате
капиллярного взаимодействия заполняются
поры, и грунт постепенно перейдет в
текучее состояние.

Разница в строении
кристаллов каолинита и монтмориллонита,
о которой мы говорили раньше, приводит
к тому, что среди всех глин каолинитовые
наименее пластичны, наиболее проницаемы
для воды, лучше других разрабатываются
строительными машинами и поддаются
уплотнению. Монтмориллонитовые глины
наиболее пластичны, отличаются вязкостью,
липкостью, сильным набуханием и
исключительно низкой водопроницаемостью.
Их используют в качестве смазки между
грунтом и фундаментами глубокого
заложения для облегчения их погружения.

Взаимодействие частиц вещества | Физика

Почему многие твердые тела обладают большой прочностью? На стальном тросе толщиной всего 25 мм можно поднять тепловоз. Трудно разделить на куски камень. Объяснить это можно притяжением частиц, из которых состоят твердые тела. Молекулы (атомы) в твердых веществах притягиваются друг к другу. Но почему тогда куски разбитого стеклянного стакана нельзя без клея соединить друг с другом в одно целое? В то же время куски пластилина легко можно соединить в один кусок.

Объяснить эти факты можно, предположив, что притяжение молекул (атомов) проявляется лишь на малых расстояниях между ними. Действительно, если нагреть стеклянные куски так, чтобы стекло стало мягким, и прижать их друг к другу, они слипнутся в одно целое.

Притягиваются и молекулы жидкости. Проведем опыт. Подвесим на пружине чистую стеклянную пластинку и отметим положение нижнего конца пружины указателем. Поднесем к пластинке сосуд с водой до соприкосновения с поверхностью воды, после чего будем опускать сосуд до отрыва пластинки. Растяжение пружины увеличится, что указывает на притяжение частиц жидкости (воды) в сосуде и на поверхности стеклянной пластины.

А вот молекулы (атомы) газа практически не притягиваются друг к другу. В газах частицы находятся на расстояниях, больших, чем в жидкостях и твердых телах. Притяжение на этих расстояниях ничтожно мало. Поэтому молекулы газа разлетаются по всему предоставленному газу объему. Например, запах духов из открытого флакона распространяется по всей комнате.

А есть ли между молекулами отталкивание?

Возьмите сплошной резиновый мячик и попробуйте его сжать. Легко ли это сделать? Стоит только перестать сжимать мячик, как он тут же восстанавливает свою форму. Значит, между частицами существует отталкивание. Именно отталкивание частиц затрудняло сжатие мячика, оно же восстановило его первоначальную форму.

Очень важно понять, что притяжение и отталкивание частиц вещества проявляется лишь на малых расстояниях между частицами, т. е. в твердых телах и жидкостях, и заметно меняется при изменении этих расстояний. Описывая взаимодействие молекул, будем их моделировать шариками. Так, на определенных расстояниях притяжение двух молекул компенсируется (уравновешивается) отталкиванием. При отдалении молекул отталкивание становится меньше притяжения, а при сближении молекул отталкивание становится больше притяжения.

Взаимодействие двух молекул в теле условно можно сравнить со взаимодействием двух шариков, скрепленных пружиной. При расстояниях r > r₀ (пружина растянута) шарики притягиваются друг к другу, а при расстояниях r < r₀ (пружина сжата) — отталкиваются.

Хотя эта модель наглядна, но имеет недостаток: в ней между шариками проявляется или притяжение, или отталкивание. Между частицами вещества притяжение и отталкивание существует одновременно! На одних расстояниях (при отдалении частиц) преобладает притяжение, а на других (при сближении) — отталкивание.

Если аккуратно ножом или лезвием зачистить торцы двух свинцовых цилиндров и плотно прижать их друг к другу, то цилиндры «слипаются». Взаимное притяжение цилиндров настолько велико, что они могут удерживать гирю массой m = 5 кг.

«Слипание» свинцовых цилиндров доказывает, что частицы веществ способны притягиваться друг к другу. Однако это притяжение возникает лишь тогда, когда поверхности тел очень гладкие (для этого и понадобилась зачистка лезвием). Кроме того, тела должны быть плотно прижаты друг к другу, чтобы расстояния между поверхностями тел было сравнимо с расстоянием между молекулами.

Читать далее

Взаимодействие с водой

Структурные и электрические свойства молекулы воды обсуждаются в разделе «Молекула воды и ее взаимодействия». Два атома водорода соединены ковалентными связями с одним атомом кислорода, образуя молекулу воды. Водородная связь — это своего рода взаимодействие, при котором молекулы воды взаимодействуют друг с другом. Ключом к пониманию воды является тетраэдрическая конфигурация четырех молекул воды, окружающих центральную. Это помогает понять структуру воды в различных состояниях, ее свойства и то, как она взаимодействует с другими молекулами, позволяя исследовать свойства и поведение широкого круга химических, физических и биологических систем, включающих воду.

Свойства взаимодействия с водой

Вода считается универсальным растворителем, поскольку она растворяет не только широкий спектр химических веществ, но и больше веществ, чем любая другая жидкость. Он быстро растворяет ионы и полярные молекулы как полярная молекула с частично положительными и отрицательными зарядами.

В результате воду называют растворителем: материалом, который может растворять другие полярные молекулы и ионные соединения. Заряды этих молекул устанавливают водородные связи с водой, заключая частицу в молекулы воды. Гидрационная оболочка, также известная как гидратная сфера, удерживает частицы разделенными или рассеянными в воде.

Отдельные ионы взаимодействуют с полярными областями молекул воды в процессе диссоциации, разрывая их ионные связи, при добавлении в воду ионных веществ. Когда атомы или группы атомов отделяются от молекул с образованием ионов, это называется диссоциацией.

Когда кристаллы NaCl попадают в воду, молекулы NaCl распадаются на ионы Na⁺ и Cl⁻, и вокруг ионов образуются сферы гидратации. Частично отрицательный заряд кислорода в молекуле воды окружает положительно заряженный ион натрия; частично положительный заряд водорода в молекуле воды, окружающей отрицательно заряженные ионы хлора

Диссоциация NaCl в воде

При смешивании поваренной соли (NaCl) и воды вокруг ионов образуются гидратные сферы. Вода быстро растворяет гидрофильные вещества, поскольку многие молекулы полярны или заряжены. Вода, с другой стороны, является плохим растворителем для гидрофобных молекул, таких как липиды. Когда неполярные молекулы взаимодействуют с гидрофобными молекулами в воде, вода изменяет свои схемы водородных связей вокруг гидрофобных молекул, образуя клатратоподобную структуру. Общая энтропия системы резко уменьшается по мере изменения характера водородных связей водного растворителя, поскольку молекулы становятся более упорядоченными, чем в жидкой воде. Огромное падение энтропии не является самопроизвольным с термодинамической точки зрения, и гидрофобная молекула не растворится.

Взаимодействие нуклеиновой кислоты с водой

Взаимодействие белков с цепями ДНК было впервые обнаружено под микроскопом в конце 1800-х годов. С тех пор исследователи продемонстрировали, что белки взаимодействуют с ДНК и РНК, влияя на структуру и функцию соответствующей нуклеиновой кислоты, используя ряд тестов in vitro и in vivo. Понимание функций белково-нуклеиновых кислотных комплексов в регуляции транскрипции, трансляции, репликации ДНК, репарации и рекомбинации, процессинга РНК и транслокации коренным образом меняет наше понимание клеточной биологии, нормального развития клеток и причин болезней. В этой статье представлены некоторые из наиболее важных подходов к изучению взаимодействий белок-нуклеиновая кислота.

Фосфатная группа, сахар рибозы и азотистое основание являются тремя основными компонентами ДНК. Фосфат и рибозный сахар гидрофильны или водолюбивы. Азотистое основание находится в середине пачки; он может связывать водород, но не любит воду. ДНК создаст двойную спираль, если будет возможность (спаривание оснований) (обычно с 2 цепями). Разница лишь в том, что РНК использует только одну цепь. Азотистые основания (АГТС) перемещаются из воды в ядро ​​двойной спирали, где им не нужно взаимодействовать с ней в такой степени. Короткое объяснение состоит в том, что нуклеиновые кислоты будут образовывать двойные спирали в воде (если они can) для того, чтобы достать их более гидрофобные участки из воды. Основания, с другой стороны, не обязательно гидрофобны, но они не такие гидрофильные, как остальная часть тела.

Взаимодействие липидов с водой

Связь между атомами кислорода и водорода в молекуле воды приводит к образованию полярной ковалентной связи (см. наш модуль «Вода: свойства и поведение»). Поскольку атомы кислорода сильнее притягивают электроны, чем атомы водорода, электроны, образующие эту связь, распределяются между атомами неравномерно. Это приводит к небольшому отрицательному заряду на кислородном конце и небольшому положительному заряду на водородном конце молекулы воды.

Связь между атомами углерода и водорода в липидах, с другой стороны, неполярна. Это связано с тем, что электроны в ковалентных связях поровну разделены между атомами углерода и водорода, а частичные заряды вообще отсутствуют. В результате из длинных цепей углерод-водородных связей образуется неполярная молекула.

Поскольку «подобное притягивает подобное», различия в связях между молекулами воды и липидов значительны. Вода имеет тенденцию растворять соединения с полярными связями, такие как соль и сахар, потому что она является полярным растворителем. Поскольку у неполярной молекулы нет заряда, притягивающего полярную молекулу, неполярные молекулы не растворяются в полярных жидкостях. Полярные жидкости смешиваются с другими полярными жидкостями для растворения полярных или заряженных растворенных веществ; неполярные жидкости смешиваются с другими неполярными жидкостями для растворения неполярных растворенных веществ (вещества, которое растворяется).

Заключение

Молекула воды и ее взаимодействия». Два атома водорода соединены ковалентными связями с одним атомом кислорода, образуя молекулу воды. Это помогает понять структуру воды в различных состояниях, ее свойства и то, как она взаимодействует с другими молекулами, позволяя исследовать свойства и поведение широкого круга химических, физических и биологических систем, включающих воду.

Хотя вода вездесуща, взаимодействие между отдельными молекулами воды еще не полностью изучено — ScienceDaily

Новости науки

от исследовательских организаций

2

Хотя вода вездесуща, взаимодействие между отдельными молекулами воды еще не полностью изучено

Дата:

13 августа 2019 г.

Источник:

Рурский университет Бохума

Резюме:

Исследователи получили новое представление о том, как взаимодействуют молекулы воды. Впервые они смогли полностью наблюдать все движения между молекулами воды, известные как межмолекулярные колебания. Особое значение имеет определенное движение отдельных молекул воды относительно друг друга, называемое заторможенным вращением. Среди прочего, результаты помогают лучше определить межмолекулярный энергетический ландшафт между молекулами воды и, таким образом, лучше понять странные свойства воды.

Поделиться:

ПОЛНАЯ ИСТОРИЯ

Международная исследовательская группа получила новое представление о том, как взаимодействуют молекулы воды. Впервые исследователи смогли полностью наблюдать за всеми движениями между молекулами воды, известными как межмолекулярные колебания. Особое значение имеет определенное движение отдельных молекул воды относительно друг друга, называемое заторможенным вращением. Среди прочего, результаты помогают лучше определить межмолекулярный энергетический ландшафт между молекулами воды и, таким образом, лучше понять странные свойства воды.

реклама

Группа под руководством профессора Мартины Хавенит из Рурского университета Бохума и профессора Джоэла Боумана из Университета Эмори в Атланте вместе с коллегами из Университета Радбауд в Неймегене и Университета Монпелье описала работу в журнале Angewandte Chemie International Edition от 27 июля 2019 г.

Неизвестные взаимодействия

Вода является самым важным растворителем в химии и биологии и обладает множеством странных свойств — например, она достигает максимальной плотности при четырех градусах Цельсия. Это связано с особыми взаимодействиями между молекулами воды. «Описание этих взаимодействий представляло собой проблему для исследований на протяжении десятилетий», — говорит Мартина Хавенит, заведующая кафедрой физической химии II в Бохуме и представитель кластера передового опыта Ruhr Explores Solvation (Resolv).

Эксперименты при экстремально низких температурах

Команда исследовала простейшее взаимодействие, а именно между двумя отдельными молекулами воды, с помощью терагерцовой спектроскопии. Исследователи посылают короткие импульсы излучения в терагерцовом диапазоне через образец, который поглощает часть излучения. Картина поглощения раскрывает информацию о притягивающих взаимодействиях между молекулами. Для экспериментов был необходим лазер с особо высокой яркостью, который есть в Неймегене. Исследователи проанализировали молекулы воды при экстремально низких температурах. Для этого они последовательно поместили отдельные молекулы воды в крохотную капельку сверхтекучего гелия, температура которого равна 0,4 Кельвина. Капли работают как пылесос, который улавливает отдельные молекулы воды. Из-за низкой температуры между двумя молекулами воды возникает прочная связь, которая не была бы стабильной при комнатной температуре.

Эта экспериментальная установка позволила группе впервые зарегистрировать спектр заторможенного вращения двух молекул воды. «Молекулы воды постоянно движутся, — объясняет Мартина Хавенит. «Они вращаются, открываются и закрываются». Однако молекула воды, рядом с которой находится вторая молекула воды, не может свободно вращаться, поэтому такое вращение называется заторможенным.

Многомерная энергетическая карта

Взаимодействие молекул воды также может быть представлено в виде так называемого водного потенциала. «Это своего рода многомерная карта, которая отмечает, как энергия молекул воды меняется при изменении расстояний или углов между молекулами», — объясняет Мартина Хавенит. Все свойства, такие как плотность, проводимость или температура испарения, могут быть получены из водного потенциала. «Наши измерения теперь позволяют наилучшим образом проверить все потенциалы, разработанные на сегодняшний день», — резюмирует исследователь.

изменить мир к лучшему: спонсируемая возможность

История Источник:

Материалы предоставлены Рурский университет Бохума . Оригинал написан Юлией Вейлер; переведено Lund Languages. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Ссылка на журнал :

1. Мартина Хавенит-Ньюен, Раффаэль Шван, Чен Цюй, Девендра Мани, Нитиш Пал, Герхард Швааб, Лекс ван дер Меер, Бритта Редлих, Клод Лефорестье, Джоэл Боуман. Наблюдение за низкочастотным спектром димера воды как чувствительный тест потенциалов димера воды и поверхностей дипольного момента . Angewandte Chemie International Edition , 2019 г.; DOI: 10.1002/anie.201906048

Процитировать эту страницу :

• MLA
• АПА
• Чикаго

Рурский университет Бохума. «Как две молекулы воды танцуют вместе: хотя вода вездесуща, взаимодействие между отдельными молекулами воды еще не полностью изучено». ScienceDaily. ScienceDaily, 13 августа 2019 г.