Формула жидкой воды: Опровергнута самая популярная теория строения воды

Опровергнута самая популярная теория строения воды

Учёные СФУ совместно с коллегами из Королевского института технологий Швеции опровергли самую популярную ныне кластерную теорию строения воды. В ходе работы исследователи предложили новую теорию, согласующуюся с результатами их эксперимента. Работа опубликована в журнале Nature Communications. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда.

Вода — одно из самых распространённых, но в то же время необычных веществ на Земле. Она обладает рядом нетипичных свойств, объясняемых её особой структурой, например, высокой теплоёмкостью и низкой электропроводностью. Общепринято, что вода состоит из молекул Н₂О, объединённых в группы так называемыми водородными связями. Их наличие обусловлено притяжением между положительно заряженными атомами водорода и отрицательно заряженными атомами кислорода. Свободные, не входящие в кластеры (группы молекул, связанных водородными связями) молекулы присутствуют лишь в небольшом количестве.

Многие учёные считают, что вода — постоянно изменяющаяся смесь кластеров лёгкого и тяжёлого типов. В первом молекулы связаны друг с другом (как во льду), а во втором связи нарушены, благодаря чему такие системы более плотные. Наличие этих фаз можно обнаружить при помощи резонансного неупругого рассеяния рентгеновских фотонов водой. При этом виден переход, в котором электрон с занятой молекулярной орбитали заполняет дырку, на месте которой был выбитый ранее фотоном электрон. Эксперимент с жидкой водой показывает расщепление резонанса на два пика. В научной литературе получившийся дублет приписывается кластерам лёгкого и тяжёлого типов.

Чтобы пролить свет на эту фундаментальную проблему, авторы работы провели эксперимент с парами воды, где нет водородных связей. В ходе исследования они измерили спектр резонансного неупругого рассеяния изолированной молекулы. Эксперименты привели к неожиданному результату и показали, что точно такое же расщепление резонанса на два пика присутствует в рентгеновских спектрах рассеяний молекул воды в газовой фазе.

Более того, выполненные теоретические расчёты однозначно объясняют расщепление на спектре сверхбыстрым распадом (диссоциацией) молекулы воды на ионы Н+ и ОН-. Таким образом, исследование свидетельствует о динамической природе расщепления резонанса и опровергает структурный механизм, тем самым демонстрируя, что структура воды однородна.

Второй не менее важный результат этой работы — получение детальной структурной информации о том, как влияют водородные связи на силу OH-связи. Колебательная инфракрасная (ИК) спектроскопия — общепринятый инструмент для исследования водородных связей в жидкостях. Но в них ИК-спектроскопия показывает лишь наиболее интенсивный переход в состояние с минимальной энергией колебаний, которое «слабо чувствует» межмолекулярное взаимодействие. Спектроскопия резонансного неупругого рассеяния воды качественно отличается от ИК-спектроскопии тем, что, получив энергию от рентгеновского фотона, электрон кислорода переходит с самой глубокой орбитали на первую незанятую.

В результате молекула воды быстро диссоциирует. В процессе возбуждённый электрон переходит обратно на самый глубокий уровень, испуская рентгеновский фотон. Частота колебаний испущенного фотона отличается от возбуждающего фотона, так как при этом переходе электрон попадает на уровни с большей энергией. Таким образом, в отличие от ИК-спектра, спектр резонансного неупругого рассеяния состоит из протяжённого набора колебательных пиков. Чем выше колебательное состояние, тем дальше атомы водорода удаляются от кислорода в процессе колебаний связи между О и Н и тем сильнее это колебание чувствует взаимодействие с ближайшей молекулой воды, а именно водородную связь. Резонансное неупругое рассеяние даёт уникальную возможность исследовать водородные связи, в частности определить на основании спектра, как влияют соседние молекулы через водородную связь на потенциал взаимодействия OH-связи.

«Важно отметить, что, в отличие от изолированной молекулы воды с одной энергией взаимодействия О и Н, в жидкости имеется набор (распределение) таких энергий в силу многообразия ближайшего окружения молекулы воды. Таким образом, второй результат работы — измерение распределения OH-потенциалов в сети постоянно изменяющихся водородных связей. На следующем этапе исследований необходимо выяснить, возможно ли из спектров резонансного неупругого рассеяния воды определить такой важный структурный параметр, как среднее число связей молекулы. Он определяет энергию взаимодействия последней с её окружением, а значит, и такие свойства, как скорость звука в воде и её теплоёмкость»,

— дополняет Фарис Гельмуханов, доктор физико-математических наук, профессор Королевского технологического института (Стокгольм, Швеция), старший научный сотрудник Сибирского федерального университета.

В работе также приняли участие учёные из Университета Потсдама (Германия), Университета Цюриха (Швейцария) и Университета Турку (Финляндия).

Рисунки

• A) Молекула воды, поглотив фотон, возбуждается из основного состояния (0) в высоковозбуждённое диссоциативное состояние (с), где атом водорода быстро покидает точку равновесия. В процессе диссоциации возбуждённая молекула возвращается в основное (0) или конечное состояние (f) испуская другой фотон и формируя спектр вблизи 535 эВ и 526 эВ, соответственно.
• Б) рентгеновский спектр поглощения воды.
• B) Спектры испускания c→f и c→0 вблизи 526 эВ и 535 эВ, соответственно. Эмиссионный спектр c→f вблизи 525 эВ показывает динамическое формирование (в процессе диссоциации) дублета с расщеплением Δ (см. панель A). При возвращении молекулы в основное состояние c→0 в процессе диссоциации заселяются высокие колебательные уровни, что формирует протяжённую колебательную прогрессию в районе 535 эВ.
• Г) В работе решена обратная задача восстановления из колебательной прогрессии распределения OH-потенциалов воды в жидкой фазе.

ЖИЗНЬ, МОЛЕКУЛА ВОДЫ И ЗОЛОТАЯ ПРОПОРЦИЯ

Соотношения золотой пропорции исследователи находят в морфологической структуре растений, птиц, животных, человека. Закономерности золотой пропорции обнаруживаются и в организации неживой природы. В данной статье на основании анализа молекулы воды в различных агрегатных состояниях высказана гипотеза, что ее структура в состоянии талой воды практически соответствует треугольнику золотой пропорции.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Теплоемкость воды достигает минимального значения при температуре около 37<SUP>о</SUP>С.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Илл. 1. Плотность воды при понижении температуры сначала возрастает, достигает максимума при 4<SUP>о</SUP>С и начинает уменьшаться.

Наука и жизнь // Иллюстрации

В момент плавления объем свинца мгновенно увеличивается от 1 до 1,003, а объем воды скачком уменьшается от 1,1 до 1,0.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Вода имеет аномально высокие температуры кипения и замерзания по сравнению с другими трехатомными соединениями водорода.

Наука и жизнь // Иллюстрации

В жидкой воде молекулы H<SUB>2</SUB>O могут объединяться в сложные образования — кластеры, по структуре напоминающие лед.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Схематичное изображение молекулы воды на плоскости.

Деление отрезка в крайнем и среднем отношении, или золотая пропорция. Отрезок разделен на две части так, что CB:AC = AC:AB.

«Золотой треугольник». Соотношение его сторон OA:AB = OB:AB ≈ 0,618,

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Таблица 1.

Таблица 2.

‹

›

Открыть в полном размере

Воде была дана волшебная власть стать соком жизни на Земле.
Леонардо да Винчи

Вода — одно из самых уникальных и загадочных веществ на Земле. Природа этого вещества до конца еще не понята. Внешне вода кажется достаточно простой, в связи с чем долгое время считалась неделимым элементом. Лишь в 1766 году Г. Кавендиш (Англия) и затем в 1783 году А. Лавуазье (Франция) показали, что вода не простой химический элемент, а соединение водорода и кислорода в определенной пропорции.

После этого открытия химический элемент, обозначаемый как Н, получил название «водород» (Hydrogen — от греч. hydro genes), которое можно истолковать как «порождающий воду».

Дальнейшие исследования показали, что за незатейливой химической формулой Н₂О скрывается вещество, обладающее уникальной структурой и не менее уникальными свойствами. Исследователи, пытавшиеся на протяжении двух с лишним столетий раскрыть секреты воды, часто заходили в тупик. Да и сейчас ученые понимают, что вода остается трудным объектом для исследований, ее свойства до сих пор не всегда до конца прогнозируемы.

Загадочная магия воды. Почему жидкая вода имеет необычные свойства? Традиционный ответ может быть следующим: из-за свойств атомов кислорода и водорода, из-за их структурного расположения в молекуле, из-за определенного поведения электронов в молекуле и т.п.

Так в чем же заключаются загадочные, необычные свойства привычной всем жидкой воды? Прежде всего, в том, что практически все свойства воды аномальны, а многие из них не подчиняются логике тех законов физики, которые управляют другими веществами.

Кратко упомянем те из них, которые обуславливают существование жизни на Земле.

Вначале о трех особенностях тепловых свойств воды.

Первая особенность: вода — единственное вещество на Земле (кроме ртути), для которого зависимость удельной теплоемкости от температуры имеет минимум.

Из-за того, что удельная теплоемкость воды имеет минимум около 37^оС, нормальная температура человеческого тела, состоящего на две трети из воды, находится в диапазоне температур 36-38^оС (внутренние органы имеют более высокую температуру, чем наружные).

Вторая особенность: теплоемкость воды аномально высока. Чтобы нагреть определенное ее количество на один градус, необходимо затратить больше энергии, чем при нагреве других жидкостей, — по крайней мере вдвое по отношению к простым веществам. Из этого вытекает уникальная способность воды сохранять тепло. Подавляющее большинство других веществ таким свойством не обладают. Эта исключительная особенность воды способствует тому, что у человека нормальная температура тела поддерживается на одном уровне и жарким днем, и прохладной ночью.

Таким образом, вода играет главенствующую роль в процессах регулирования теплообмена человека и позволяет ему поддерживать комфортное состояние при минимуме энергетических затрат. При нормальной температуре тела человек находится в наиболее выгодном энергетическом состоянии.

Температура других теплокровных млекопитающих (32-39^оС) также хорошо соотносится с температурой минимума удельной теплоемкости воды.

Третья особенность: вода обладает высокой удельной теплотой плавления, то есть воду очень трудно заморозить, а лед — растопить. Благодаря этому климат на Земле в целом достаточно стабилен и мягок.

Все три особенности тепловых свойств воды позволяют человеку оптимальным образом существовать в условиях благоприятной среды.

Имеются особенности и в поведении объема воды. Плотность большинства веществ — жидкостей, кристаллов и газов — при нагревании уменьшается и при охлаждении увеличивается, вплоть до процесса кристаллизации или конденсации. Плотность воды при охлаждении от 100 до 4^оС (точнее, до 3,98^оС) возрастает, как и у подавляющего большинства жидкостей. Однако, достигнув максимального значения при температуре 4^оС, плотность при дальнейшем охлаждении воды начинает уменьшаться. Другими словами, максимальная плотность воды наблюдается при температуре 4^оС (одна из уникальных аномалий воды), а не при температуре замерзания 0^оС.

Замерзание воды сопровождается скачкообразным(!) уменьшением плотности более чем на 8%, тогда как у большинства других веществ процесс кристаллизации сопровождается увеличением плотности. В связи с этим лед (твердая вода) занимает больший объем, чем жидкая вода, и держится на ее поверхности.

Столь необычное поведение плотности воды крайне важно для поддержания жизни на Земле.

Покрывая воду сверху, лед играет в природе роль своего рода плавучего одеяла, защищающего реки и водоемы от дальнейшего замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Если бы плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, что привело бы к гибели всех живых существ в реках, озерах и океанах, которые замерзли бы целиком, превратившись в глыбы льда, а Земля стала ледяной пустыней, что неизбежно привело бы к гибели всего живого.

Отметим еще некоторые особенности воды.

Внешне вода подвижна и податлива, и ее можно заключить в любой сосуд. Однако, проникая в трещины горных пород и расширяясь при замерзании, вода раскалывает скальные породы любой твердости, которые постепенно распадаются на все более мелкие частицы. Так начинается возврат окаменевших пород в жизненный цикл: на полях промерзание поверхностных слоев земли с ее органическими компонентами помогает образованию плодородной почвы.

Процесс включения твердых веществ в большой круговорот живой природы ускоряется чудесным свойством воды их растворять. Вода с растворенными компонентами твердых веществ становится средой питания и поставщиком микроэлементов, необходимых для жизни растений, животных и человека.

Вода сильнее других жидкостей проявляет свойства универсального растворителя. Если ей дать достаточно времени, она может растворить практически любое твердое вещество. Именно из-за уникальной растворяющей способности воды никому до сих пор не удалось получить химически чистую воду — она всегда содержит растворенный материал сосуда. Вода абсолютно необходима для всех ключевых систем жизнеобеспечения человека. Она содержится в человеческой крови (79%) и способствует переносу по кровеносной системе в растворенном состоянии тысяч необходимых для жизни веществ. Вода содержится в лимфе (96%), которая разносит из кишечника питательные вещества по тканям живого организма (см. таблицу 1).

Перечисленные свойства и особая роль воды в обеспечении жизни на Земле не могут оставить равнодушным ни один пытливый ум, даже если он верит в счастливые случайности. «Начало всего есть вода», — справедливо отмечал Фалес из Милета в VI веке до н.э.

Жидкое чудо. Прекратим перечисление странных, но жизненно необходимых свойств воды, которых можно набрать еще с десяток, и переключим внимание на секреты необычного строения ее молекулы. Именно анализ строения молекулы воды позволяет понять ее исключительность в живой и неживой природе. Так что дорога к истине проходит через строение одиночной молекулы воды.

Прежде всего отметим, что молекула воды самая маленькая среди подобных трехатомных молекул (по отношению к гомологам, то есть водородным соединениям типа Н₂S, Н₂Se, Н₂Те, со свойствами которых традиционно сравнивают свойства воды). Такие молекулы при нормальных условиях образуют газы, а молекулы воды — жидкость. Почему?

Хаотичное сообщество газообразных молекул воды при конденсации, то есть при образовании жидкой фазы, формирует жидкое вещество удивительной сложности. В первую очередь это связано с тем, что молекулы воды обладают уникальным свойством объединяться в кластеры (группы) (Н₂О)x. Под кластером обычно понимают группу атомов или молекул, объединенных физическим взаимодействием в единый ансамбль, но сохраняющих внутри него индивидуальное поведение. Возможности прямого наблюдения кластеров ограничены, и поэтому экспериментаторы компенсируют аппаратурные недостатки интуицией и теоретическими построениями.

При комнатной температуре степень ассоциации X для воды составляет, по современным данным, от 3 до 6. Это означает, что формула воды не просто Н₂О, а среднее между Н₆О₃ и Н₁₂О₆. Другими словами, вода — сложная жидкость, «составленная» из повторяющихся групп, содержащих от трех до шести одиночных молекул. Вследствие этого вода имеет аномальные значения температуры замерзания и кипения по сравнению с гомологами. Если бы вода подчинялась общим правилам, она должна была замерзать при температуре порядка -100^оС и закипать при температуре около +10^оС.

Если бы вода при испарении оставалась в виде Н₆О₃, Н₈О₄ или Н₁₂О_6, то водяной пар был бы намного тяжелее воздуха, в котором доминируют молекулы азота и кислорода. В этом случае поверхность всей Земли была бы покрыта вечным слоем тумана. Представить себе жизнь на такой планете практически невозможно.

Людям крупно повезло: кластеры воды при испарении распадаются, и вода превращается практически в простой газ с химической формулой Н₂О (обнаруженное в последнее время в паре незначительное количество димеров Н₄О₂ погоды не делает). Плотность газообразной воды меньше плотности воздуха, и поэтому вода способна насыщать своими молекулами земную атмосферу, создавая комфортные для человека погодные условия.

На Земле нет других веществ, наделенных способностью быть жидкостью при температурах существования человека и при этом образовывать газ не только легче воздуха, но и способный возвращаться к ее поверхности в виде осадков.

Восхитительная геометрия. Итак, какова же самая маленькая среди трехатомных молекул? Молекула воды имеет симметричную V-образную форму, так как два небольших атома водорода располагаются с одной стороны от сравнительно крупного атома кислорода. Это сильно отличает молекулу воды от линейных молекул, например Н₂Ве, в которой все атомы располагаются цепочкой. Именно такое странное расположение атомов в молекуле воды и позволяет ей иметь множество необычных свойств.

Если внимательно рассмотреть геометрические параметры молекулы воды, то в ней обнаруживается определенная гармония. Чтобы увидеть ее, построим равнобедренный треугольник Н-О-Н с протонами в основании и кислородом в вершине. Такой треугольник схематично копирует структуру молекулы воды, проекция которой на плоскость условно изображена на рисунке.

Длины сторон этого треугольника и валентный угол между двумя связями О-Н изменяются при изменении агрегатного состояния воды. Приведем эти параметры (см. таблицу 2).

Прокомментируем данные, характеризующие различные состояния воды.

Параметры молекулы воды в парообразном состоянии получены на основе обработки спектров ее поглощения. Результаты неоднократно уточнялись, но по существу правильно оценивают длины связей и валентный угол в молекуле воды в состоянии пара.

Кристаллическая структура льда при нормальном давлении довольно рыхлая с причудливой паутиной связей между молекулами воды. Схематично кристаллическую решетку обычного льда можно построить из атомов кислорода, каждый из которых участвует с соседними атомами в четырех водородных связях, направленных приблизительно к вершинам правильного тетраэдра.

Напомним, что водородной называется связь между атомами в одной молекуле или между соседними молекулами, которая осуществляется через атом водорода. Водородная связь играет чрезвычайно важную роль в структуре не только воды, но и большинства биологических молекул — углеводов, белков, нуклеиновых кислот и т. п.

Если кристаллический лед хорошо упорядочен по кислороду, то этого нельзя сказать про водород: в расположении ионов водорода (протонов) наблюдается сильный беспорядок. Их положение четко не определено, и поэтому лед можно считать разупорядоченным по водороду.

Лед обладает многими удивительными особенностями, из которых отметим две.

Во-первых, он всегда очень чист химически. В структуре льда практически не бывает примесей: при замерзании они вытесняются в жидкость. Именно поэтому снежинки всегда белые, а льдинки на поверхности грязной лужи практически прозрачные. Вообще говоря, любой растущий кристалл стремится создать идеальную кристаллическую решетку и вытесняет посторонние вещества. Но в планетарном масштабе именно замечательный феномен замерзания и таяния воды играет роль гигантского очистительного процесса — вода на Земле постоянно очищает сама себя.

Во-вторых, лед и особенно снег обладают очень высокой отражательной способностью. Благодаря этому солнечное излучение не вызывает заметного нагрева полярных областей, и, как следствие этого, наша планета избавлена от сезонных наводнений и повышений уровня Мирового океана.

Экспериментальное определение параметров одиночной молекулы воды в жидкой фазе до сих пор встречает непреодолимые трудности, поскольку жидкая вода — это смесь структурных элементов, то есть различных кластеров, находящихся в динамическом равновесии между собой. Полной ясности в отношении их взаимодействий до сих пор нет, а разделить такую смесь на отдельные компоненты невозможно: «простая» жидкость Н₂О не торопится раскрывать свои внутренние секреты.

Вернемся к рисунку, на котором в общих чертах представлена структура молекулы воды. В ней есть симметрия, которая играет основную роль в попытках всестороннего объяснения физического мира, и асимметрия, наделяющая эту молекулу возможностью движения и связью с золотой пропорцией. Поэтому кратко напомним о том, что в математике называют золотой пропорцией.

Золотая пропорция . Это понятие возникает при решении геометрической задачи о нахождении на отрезке АВ такой точки С, чтобы выполнялось соотношение СВ:АС = АС:АВ.

Решение этой задачи приводит к отношению СВ:АС = (-1+√5)/2, которое называют золотой пропорцией, а соответствующее геометрическое деление отрезка АВ точкой С называют золотым сечением. Если принять весь отрезок за единицу, то АС = 0,618033… и СВ = 0,381966….

Время показало, что золотая пропорция воплощает совершенные и гармоничные отношения двух величин. В геометрической интерпретации она приводит к соразмерному и привлекательному соотношению между двумя неравными отрезками.

Исследователи золотой пропорции с античных времен до наших дней всегда восхищались и продолжают восхищаться ее свойствами, которые проявляются в строении различных элементов физического и биологического мира. Золотая пропорция обнаруживается везде, где соблюдены принципы гармонии.

Что же объединяет золотую пропорцию с молекулой воды? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим двумерный образ золотой пропорции в виде треугольника.

В золотом треугольнике отношение ОА:АВ = ОВ:АВ приблизительно равно 0,618, угол α = 108,0^о. Для льда отношение длин связей О-Н к Н-Н равно 0,100:0,163 = 0,613 и угол α = 109,5^о, для пара — соответственно 0,631 и 104,5^о. Не распознать в золотом треугольнике прообраз структуры молекулы воды просто невозможно! Удивительно, что до сих пор так мало внимания обращали на возможность подобной интерпретации ее строения.

И действительно, поместив в треугольнике АОВ в точки А и В атомы водорода, а в точку О — атом кислорода, получим в первом приближении молекулу жидкой воды, сконструированную на основе золотой пропорции. Подобная элегантность молекулы очаровывает и восхищает. Так что роль молекулы воды в природе и жизни не может быть правильно оценена без учета красоты ее формы.

Исключительная гармония. Убедимся, что молекула жидкой воды — единственное трехатомное вещество, имеющее соразмерности, свойственные золотой пропорции.

В трехатомных молекулах-гомологах, близких по химическому составу к молекуле воды (Н₂S, H₂Se и Н₂Те), валентный угол приблизительно равен 90^о. Например, молекула Н₂S имеет следующие геометрические параметры:

длина связи S-Н, нм . …………………… 0,1345

длина связи Н-Н, нм ……………………… 0,1938

валентный угол Н-S-Н, град ………….. 92,2

Отношение длин связей S-Н к Н-Н равно 0,694, что далеко от золотой пропорции. Квантово-химические расчеты показывают, что если бы вода была подобна родственным ей веществам, то валентный угол у ее молекулы должен был быть приблизительно таким же, как у Н₂S, или больше максимум на 5^о.

Но вода, как выясняется, не любит подобия, она всегда герой другого романа. Если бы валентный угол у воды был порядка 90-95^о, о золотой пропорции пришлось бы забыть и вода оказалась бы в одном содружестве с другими водородными соединениями.

Но вода уникальна, ее молекула обладает практически выверенными эстетическими качествами, и поэтому ее свойства необходимо иногда интерпретировать, выходя за рамки традиционной научной парадигмы. И тогда некоторые загадки воды смогут быть объяснены таким «ненаучным» понятием, как гармония.

На приведенные рассуждения можно возразить: экспериментальные измерения геометрических параметров молекулы воды имеют определенную погрешность, и поэтому соотношение золотой пропорции может строго не выполняться. Но даже если в экспериментальные измерения внести еще большую погрешность, молекула воды все равно останется единственным из трехатомных веществ, имеющим практически «золотые» гармоничные пропорции.

В связи с этим обратим внимание на загадку талой воды, которая, по широко распространенному мнению, обладает отличным от обычной воды физиологическим воздействием.

Удивительная талая вода. Она рождается при таянии льда и сохраняет температуру 0^оС, пока весь лед не растает. Специфика межмолекулярных взаимодействий, характерная для структуры льда, сохраняется и в талой воде, так как при плавлении кристалла разрушается только 15% всех водородных связей. Поэтому присущая льду связь каждой молекулы воды с четырьмя соседними («ближний порядок») в значительной степени не нарушается, хотя и наблюдается бoльшая размытость кислородной каркасной решетки.

Таким образом, талая вода отличается от обычной изобилием многомолекулярных кластеров, в которых в течение некоторого времени сохраняются рыхлые льдоподобные структуры. После таяния всего льда температура воды повышается и водородные связи внутри кластеров перестают противостоять возрастающим тепловым колебаниям атомов. Размеры кластеров изменяются, и поэтому начинают меняться свойства талой воды: диэлектрическая проницаемость приходит к своему равновесному состоянию через 15-20 минут, вязкость — через 3-6 суток. Биологическая активность талой воды спадает, по одним данным, приблизительно за 12-16 часов, по другим — за сутки.

Итак, физико-химические свойства талой воды самопроизвольно меняются во времени, приближаясь к свойствам обычной воды: она постепенно как бы «забывает» о том, что еще недавно была льдом.

Лед и пар — различные агрегатные состояния воды, и поэтому логично предположить, что в жидкой промежуточной фазе валентный угол отдельной молекулы воды лежит в диапазоне между значениями в твердой фазе и в паре. В кристалле льда валентный угол молекулы воды близок к 109,5^о. При таянии льда межмолекулярные водородные связи ослабевают, расстояние Н-Н несколько сокращается, валентный угол уменьшается. При нагревании жидкой воды происходит разупорядочение кластерной структуры, и этот угол продолжает уменьшаться. В парообразном состоянии валентный угол молекулы воды составляет уже 104,5^о.

Значит, для обычной жидкой воды валентный угол вполне может иметь некоторое среднее значение между 109,5^{и 104,5о, то есть примерно 107,0о. Но так как талая вода по своей внутренней структуре близка ко льду, то и валентный угол ее молекулы должен быть ближе к 109,5о, скорее всего, около 108,0о.}

Сказанное выше можно сформулировать в виде гипотезы: в силу того, что талая вода значительно более структурирована, чем обычная вода, ее молекула с большой долей вероятности имеет структуру, максимально приближенную к гармоничному треугольнику золотой пропорции с валентным углом, близким к 108^о, и с отношением длин связей примерно 0,618-0,619.

Экспериментального подтверждения этой гипотезы у авторов нет, как нет и какой-либо теории ее обоснования. Есть только догадка, высказанная на этих страницах, которая может, естественно, оспариваться.

Таинственная сила талой воды. Человеку с незапамятных времен известны удивительные свойства талой воды. Давно замечено, что вблизи тающих родников растительность альпийских лугов всегда пышнее, а у кромки тающего льда в арктических морях бурно цветет жизнь. Полив талой водой повышает урожайность сельскохозяйственных культур, ускоряет прорастание семян. При употреблении талой воды устойчиво повышаются привесы в животноводстве, ускоряется развитие цыплят. Известно, с какой жадностью животные пьют весной талую воду, а птицы буквально купаются в первых лужицах подтаявшего снега.

Талая вода, в отличие от обычной, по своей структуре очень похожа на жидкость, содержащуюся в клетках растительных и живых организмов. Именно поэтому для человека более подходит «ледяная» структура талой воды, в которой молекулы объединены в ажурные кластеры. Это уникальное свойство талой воды способствует ее легкому усвоению организмом, она биологически активна. Вот почему так полезны овощи и фрукты — они доставляют в организм воду, имеющую аналогичную структуру.

При питье талой воды происходит подпитка организма самым гармоничным из всех веществ на Земле. Она улучшает обмен веществ и усиливает кровообращение, снижает количество холестерина в крови и успокаивает боли в сердце, повышает адаптационные возможности организма и способствует продлению жизни. Глоток чистейшей талой воды тонизирует лучше пастеризованного сока, в ней есть заряд энергии, бодрости и легкости.

Один из авторов этой работы постоянно пьет талую с плавающими льдинками воду и считает, что именно поэтому за три года ни разу не простудился. Талая вода освежает и молодит кожу, которая перестает нуждаться в кремах и лосьонах.

Теоретическое изучение свойств талой воды находится пока на уровне гипотез. Нет общепринятого мнения о причинах, вызывающих необычные эффекты при ее применении. Есть определенные проблемы и с доказательной стороной биологической активности талой воды. Исследования в этом направлении вызывают порой жаркие дискуссии. Сложность проблемы, отсутствие ясности — все это должно не отпугивать, а притягивать и способствовать появлению новых идей, гипотез, теорий. Таков зачастую тернистый путь развития науки.

Подчеркнем: приведенная гипотеза не претендует на расшифровку загадки талой воды. Она лишь позволяет выйти за рамки традиционного мышления и посмотреть на взаимную любовь жизни и воды с необычной стороны — со стороны гармонии и красоты, со стороны особых свойств талой воды, добавляющих ее изящной молекуле черты, которыми не обладают другие молекулы.

ЛИТЕРАТУРА

Ауэрбах Ф. Семь аномалий воды. — СПб., 1919.

Габуда С. П. Связанная вода. Факты и гипотезы. — Новосибирск: Наука, 1982.

Зацепина Г. Н. Физические свойства и структура воды. — М.: МГУ, 1998.

Синюков В. В. Вода известная и неизвестная. — М.: Знание, 1987.

Белянин В. С., Романова Е. Золотая пропорция. Новый взгляд // Наука и жизнь, 2003, № 6.

Вода: структура, состояние, сольватизация. Достижения последних лет. — М.: Наука, 2003.

Подписи к иллюстрациям

Илл. 1. Плотность льда почти на 10% меньше, чем у воды, а удельный объем на столько же больше. Поэтому лед плавает, а вода, замерзая в трещинах горных пород, раскалывает их.

Британника

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Этот день в истории
• Викторины
• Подкасты
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Популярные вопросы
• Обзор недели
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• Britannica объясняет
  В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
• #WTFact Видео
  В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.

• Студенческий портал
  Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
• Britannica Beyond
  Мы создали новое место, где вопросы находятся в центре обучения. Вперед, продолжать. Спросить. Мы не будем возражать.
• Спасение Земли
  Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать!
• SpaceNext50
  Britannica представляет SpaceNext50. От полёта на Луну до управления космосом — мы исследуем широкий спектр тем, которые подпитывают наше любопытство к космосу!

Страница не найдена

Приносим свои извинения! Этот контент недоступен. Посетите домашнюю страницу Britannica или воспользуйтесь полем поиска ниже.

Драгоценные металлы и камни: правда или вымысел?

Gorilla gorilla , Sula sula и другие животные, названия которых являются тавтонимами — одинаковые для рода и вида

Откуда мы знаем, как звучали динозавры?

Моделирование образования воды

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Page ID

49950

• Ed Vitz, John W. Moore, Justin Shorb, Xavier Prat-Resina, Tim Wendorff, & Adam Hahn
• Chemical Education Digital Library (ChemEd DL)

Мы смоделировали составные части воды, но как модели двух газов (элементов водорода и кислорода) помогают понять, как вода является основой жизни? Третий постулат Дальтона утверждает, что атомы являются единицами химических изменений. Когда газы водород и кислород смешиваются и смесь воспламеняется, образуется водяной пар (позже он сконденсируется в жидкую воду, когда огонь утихнет). В результате реакции выделяется много тепла, как вы можете видеть на этом фото взрыва «Гинденбурга»:

Рисунок \(\PageIndex{1}\) Водород в Гинденбурге вступает в реакцию с кислородом воздуха. Zeppelin LZ 129 Hindenburg загорелся 6 мая 1937 года на военно-морской авиабазе Лейкхерст в Нью-Джерси. (Общественное достояние; Creidt Gus Pasquerella).

В Интернете или на YouTube есть много видеороликов о взрыве водорода, а также о Гинденбурге и катастрофе. Эти впечатляющие видеоролики показывают свидетельство химического изменения: более слабые связи H-H и O-O разрываются (вот почему нам нужно добавить энергию или поджечь смесь), но затем образование очень прочных связей H-O в воде, H-O-H высвобождает много энергии.

Взрыв огромного водородно-кислородного шара

Вскоре после смешивания двух газов и добавления энергии начинается перегруппировка атомов. Общее изменение можно увидеть на этой анимации, но «механизм» реакции сложен, как мы увидим позже, когда будем изучать кинетику.

Конечным результатом является то, что два атома водорода каждой молекулы H ₂ разделяются и вместо этого объединяются с атомами кислорода (атомы водорода могут атаковать молекулы кислорода, разрушая их). Когда химическая реакция завершена, все, что остается, — это набор молекул воды, каждая из которых содержит один атом кислорода и два атома водорода. Обратите внимание, что после реакции остается столько же атомов кислорода, сколько и до реакции. То же самое относится и к атомам водорода. Атомы не создавались, не разрушались, не делились на части и не превращались в другие виды атомов в ходе химической реакции.

Рисунок \(\PageIndex{2}\) молекул воды

Вид воды — наш первый микроскопический пример соединения . Модель предполагает то, что мы уже знаем: свойства молекул воды сильно отличаются от свойств водорода или кислорода; в частности, они имеют тенденцию слипаться, образуя жидкость. Каждая молекула соединения состоит из двух (или более) различных видов атомов. Поскольку эти атомы могут быть перегруппированы во время химической реакции, молекулы могут быть расщеплены, и соединение может быть разложено на два (или более) различных элемента.

Формула соединения включает как минимум два химических символа — по одному для каждого присутствующего элемента. В случае воды каждая молекула содержит один атом кислорода и два атома водорода, поэтому формула имеет вид H ₂ O. И рисунок, и формула говорят вам, что любой образец чистой воды содержит в два раза больше атомов водорода, чем атомов кислорода. . Это соотношение 2:1 согласуется с четвертым постулатом Дальтона о том, что атомы соединяются в соотношении малых целых чисел.

Хотя Джон Дальтон первоначально использовал круглые символы, подобные приведенным на рисунке, для обозначения атомов в химических реакциях, современный химик будет использовать химические символы и химическое уравнение, подобное 9.0130

\[ \underbrace{2 H_2 + O_2}_{\text{Реагент(ы)}} \rightarrow \underbrace{2 H_2O}_{\text{Продукт(ы)}} \label{1}\]

Это уравнение можно интерпретировать с микроскопической точки зрения как означающее, что 2 молекулы водорода и 1 молекула кислорода реагируют с образованием 2 молекул воды. Следует также напомнить о макроскопических изменениях, показанных на фотографиях. Эту макроскопическую интерпретацию часто усиливают указанием физических состояний реагентов и продуктов: 90–130

\[2 H_{2(g)} + O_{2(g)} \rightarrow 2 H_2O_{(l)} \label{2}\]

Таким образом, газообразный водород и газообразный кислород реагируют с образованием жидкой воды. [Если реагент или продукт представляет собой твердое вещество, можно было бы использовать такой символ, как H ₂ O( s ). Иногда ( c ) может использоваться вместо ( s ) для обозначения кристаллического твердого вещества.] Химическая реакция, такая как уравнение \(\ref{1}\) и \(\ref{2}\), обобщает большое информацию как на макроскопическом, так и на микроскопическом уровнях, для тех, кто умеет их интерпретировать.

Из ChemPRIME: 2.3: Макроскопический и микроскопический взгляды на химическую реакцию

Ссылки

1. ↑ www.umass.edu/microbio/chime/…er10/index.htm

Авторы и ссылки

• Эд Витц (Университет Куцтауна), Джон У. Мур (UW-Мэдисон), Джастин Шорб (Колледж Хоуп), Ксавье Прат-Ресина (Университет Миннесоты в Рочестере), Тим Вендорф и Адам Хан .

---

Эта страница под названием «Моделирование формирования воды» используется в соответствии с незаявленной лицензией, ее авторами, ремиксами и/или кураторами являются Эд Витц, Джон У.