В молекуле воды кроме направлений ОН (две наи^ более вытянутые орбиты) выделяют направления орбит двух неподеленных пар электронов атома кислорода (менее вытянутые орбиты), которые расположены в плоскости, перпендикулярной плоскости протонов и. Научная работа, описанная в журнале PNAS, рассказывает о том, что свет, попадая в место соприкосновения воздуха и воды, способен расщеплять молекулы H2O и поднимать их в воздух, вызывая испарение без участия сторонних источников тепла.
Объемная модель молекулы воды
По энергии она занимает промежуточное положение между химическими связями и Ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями, теми, что удерживают молекулы в твердой или жидкой фазе. Поскольку каждая молекула воды имеет четыре центра образования водородной связи две неподелённые электронные пары у атома кислорода и два атома водорода , то каждая молекула воды способна образовывать водородные связи с четырьмя молекулами воды, образуя ажурный сетчатый каркас в молекуле льда. Заказать работы Рис. Каждая молекула воды способно образовывать водородные связи с четырьмя соседними молекулами В кристаллической структуре льда каждая молекула участвует в 4 водородных связях, направленных к вершинам тетраэдра. В центре этого тетраэдра находится атом кислорода, в двух вершинах — по атому водорода, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся вершины занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей.
Водородные связи в кристаллической решётке льда В отличие от льда, в жидкой воде водородные связи легко разрушаются и быстро восстанавливаются, что делает структуру воды исключительно изменчивой. Именно благодаря этим связям в отдельных микрообъемах воды непрерывно возникают своеобразные ассоциаты воды - её структурные элементы. Всё это приводит к неоднородности в структуре воды. Первым идею о том, что вода неоднородна по своей структуре, высказал Уайтинг в 1884 году. Когда в 20-е годы определили структуру льда, оказалось, что молекулы воды в кристаллическом состоянии образуют трёхмерную непрерывную сетку, в которой каждая молекула имеет четырёх ближайших соседей, расположенных в вершинах правильного тетраэдра.
В 1933 году Дж. Бернал и П. Фаулер предположили, что подобная сетка существует и в жидкой воде. Поскольку вода плотнее льда, они считали, что молекулы в ней расположены не так, как во льду, то есть подобно атомам кремния в минерале тридимите, а так, как атомы кремния в более плотной модификации кремнезёма — кварце. Таким образом, модель Бернала — Фаулера сохранила элемент двухструктурности, но главное их достижение — идея непрерывной тетраэдрической сетки.
Тогда появился знаменитый афоризм И. Открыть мини-сайт на портале Pandia для ведения проекта. PR, контент-маркетинг, блог компании, образовательный, персональный мини-сайт. Регистрация бесплатна Только в 1951 году Дж. Попл создал модель непрерывной сетки, которая была не так конкретна, как модель Бернала — Фаулера.
Попл представлял воду как случайную тетраэдрическую сетку, связи между молекулами в которой искривлены и имеют различную длину. Модель Попла объясняет уплотнение воды при плавлении искривлением связей. Когда в 60—70-е годы появились первые определения структуры льдов II и IX, стало ясно, как искривление связей может приводить к уплотнению структуры. Модель Попла не могла объяснить немонотонность зависимости свойств воды от температуры и давления так хорошо, как модели двух состояний. Поэтому идею двух состояний ещё долго разделяли многие учёные.
В первой группе вода представала в виде кластеров из молекул, связанных водородными связями, которые плавали в море молекул, в таких связях не участвующих. Модели второй группы рассматривали воду как непрерывную сетку водородных связей - каркас, которая содержит пустоты; в них размещаются молекулы, не образующие связей с молекулами каркаса. Среди кластерных моделей наиболее яркой оказалась модель Г. Немети и Х.
Колебания в данном случае заменяет вращение молекулы воды вокруг оси, совпадающей с линиями магнитного поля. Сам фуллерен, хоть и остается электрически-нейтральным, перемещается вдоль нанотрубки вдоль линий электромагнитного поля. Еще более странно то, что фуллерен начинает движении в обратном направлении, если напряженность электрического поля превышает некий критический порог в 0,065 В на ангстрем. Чтобы разобраться в причинах обнаруженного явления, теоретики сосредоточили свое внимание на молекуле воды. После включения электрического поля, любое начальное поступательное и вращательное движение в плоскости, перпендикулярной полю, быстро исчезает, так как молекула воды получает стабильную ориентацию. Исследователи предположили, что энергия и импульс этого первоначального движения преобразуется в поступательное движение в направлении поля и вращение вокруг этого направления. Соответственно, линейная скорость перемещения молекулы должна зависеть от ее ориентации на тот момент, когда поле было включено. К сожалению, предложенная теория пока не объясняет обнаруженного изменения направления движения при повышении электрического поля. Ученые говорят, что они все еще работают над разработкой теории, объясняющей этот феномен.
В результате подобной обработки на поверхности образовывались одномерные ледяные структуры толщиной всего в один атом и шириной около нанометра. При помощи сканирующего туннельного микроскопа и инфракрасной спектрометрии исследователям удалось установить, что цепочки состоят из пятиугольников, в вершинах которых находятся молекулы воды. Ранее предполагалось, что при образовании упорядоченной структуры льда молекулы воды собираются в шестиугольники. Теоретический анализ, проведенный авторами работы, показал, что пятиугольники образуются в результате взаимодействия воды с металлической поверхностью.
В статье, опубликованной в журнале Nature Chemistry, исследователи из Кембриджского университета и Института исследования полимеров Макса Планка в Германии показывают, что ионы и молекулы воды на поверхности большинства растворов соленой воды, известных как растворы электролитов, организованы в совершенно иным способом, чем традиционно понимается. Это может привести к улучшению моделей химии атмосферы и другим приложениям. Исследователи задались целью изучить, как на молекулы воды влияет распределение ионов именно в той точке, где встречаются воздух и вода. Традиционно это делалось с помощью метода, называемого генерацией суммарной частоты колебаний VSFG. С помощью этого метода лазерного излучения можно измерять молекулярные колебания непосредственно на этих ключевых границах раздела. Однако, хотя силу сигналов можно измерить, этот метод не позволяет определить, являются ли сигналы положительными или отрицательными, что затрудняло интерпретацию результатов в прошлом.
Орбитальная модель молекулы воды
А так называемая «легкая» вода, напротив, образует в основном простейшие кольца, а это значит, что молекулы жидкости с пониженной плотностью не запутаны. Компьютерная модель состояния воды с высокой плотностью. Изображение: Andreas Neophytou et al. Ну что ж, будем ждать новых результатов данных экспериментов, а с уже проделанной работой ученых можно ознакомиться в материале, который был опубликован на портале Nature Physics. Понравился материал?
Моно- и полисахариды широко применяются в пищевой, фармацевтической и химической промышленности. Сделанные расчёты — отправная точка для дальнейших прикладных исследований растворов сахаров. Результаты работы опубликованы в Journal of Molecular Liquids. Мало кто задумывается о всей масштабности применения сахарозы, а в быту — обычного сахара, размешивая его в чашке утреннего кофе. Однако исследования этого вещества на атомарном уровне — одна из важных научных и прикладных задач: результаты таких исследований востребованы в моделировании поведения растворов, комплексной переработке продуктов и даже в исследовании процессов, протекающих в почве. Моно- и полисахариды широко распространены в природе. Они важны для функционирования всех живых клеток, входят в состав клеточной стенки растений и выполняют различные биологические функции. Кроме того, материалы на основе полисахаридов, в первую очередь целлюлозы, широко используются в технологических приложениях. Мембраны на основе эфиров целлюлозы, чаще всего ацетата целлюлозы, применяются при опреснении морской воды методом обратного осмоса, очистке воды от высокомолекулярных и тяжелых металлов.
Чаще всего физики применяют для этого так называемые оптические интерференционные ловушки. Они представляют собой периодическую структуру полей, возникающих в результате интерференции лазерного излучения. В узлы такой решётки помещают ультрахолодные атомы изучаемых веществ. Но исследователи из лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ нашли другой, более рациональный путь. Они помещают отдельные молекулы воды, обладающие довольно большим дипольным моментом, в так называемую диэлектрическую матрицу. Её роль исполняет кристаллическая решетка цеолитов, содержащая периодически распределённые поры нанометрового размера. В результате получается твердотельный образец кристалл с находящимися в этих порах практически свободными молекулами воды так называемой нанолокализованной воды. Его очень удобно исследовать при различных не только очень низких температурах, включая комнатные, а также при различных внешних воздействиях под влиянием электрических полей, давления и др. Электродипольная решётка, исследованная в данной работе, была создана на основе одного из цеолитов — кристалла кордиерита.
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.
Обнаружено новое фазовое состояние нанолокализованной воды
Впечатляет эксперимент, позволивший прийти к такому выводу. Герметичный сосуд с водой помещался в вакуумную камеру и из него через очень узкое отверстие вода испарялась наружу, в вакуум. Отверстие имело форму миниатюрного реактивного сопла , и, выходя через него, струйка пара разгонялась до сверхзвуковой скорости. Такая схема испарения, избегающая нагрева, позволяет получить пар, состоящий не только из отдельных молекул воды, но и из разнообразных водных кластеров. Струйка пара проходила через камеру метровой длины с неоднородным электрическим полем, слегка отклонялась в электрическом поле, а затем попадала в масс-спектрограф, который расщеплял ее на несколько отдельных пучков в соответствии с количеством молекул в кластере. По отклонению струйки в электрическом поле и измерялся дипольный момент кластеров. Непосредственное измерение дипольного момента кластеров разного размера уже само по себе имеет большое значение для понимания структуры воды. Действительно, получается, что когда кластеры воды «складываются» в сплошную среду, они чувствуют друг друга не только через непосредственный контакт, но и через электрическое взаимодействие диполей. Однако эксперимент калифорнийских физиков позволил определить не только это. Во-первых, данные свидетельствуют о том, что крупные кластеры содержащие больше восьми молекул электрически более упорядоченны, чем маленькие.
Этот любопытный переход никем не был предсказан, и как его интерпретировать — пока не известно.
Но откуда взялась вода на нашей планете? И как она распределена по солнечной системе и за ее пределами? Ответы на эти вопросы могут скрываться на астероидах — древних кусках камня и металла, которые остались после рождения планет. Астероиды — это своего рода космические архивы, которые хранят в себе информацию о том, как выглядела солнечная система в самом начале. Они образовались из солнечной туманности — гигантского облака газа и пыли, которое вращалось вокруг молодого солнца. В зависимости от расстояния до солнца, температура и давление в туманности были разными, и поэтому разные материалы сгущались и склеивались в астероиды.
Ближе к солнцу было жарко, и там появлялись сухие астероиды, состоящие из силикатов — минералов, из которых состоит земная кора. Дальше от солнца было холодно, и там формировались астероиды с большим количеством льда, углерода и других органических веществ. Изучая состав астероидов, мы можем узнать, как вода и другие элементы распределялись по солнечной системе во время ее зарождения.
Большая роль ионизации воздуха в процессах конденсации водяного пара была установлена в многочисленных работах, посвященных влиянию космических лучей на облакообразование [3—6]. Было установлено также влияние космических лучей на грозовую активность [7, 8]. Механизм этого влияния качественно понятен в свете зарядовой асимметрии, установленной Вильсоном. Как указывается в [8], отрицательно заряженные капли более активно конденсируют пар и быстро растут, вследствие чего происходит гравитационное разделение положительных и отрицательных зарядов. Появление сильных электрических полей в сочетании с наличием электронов в составе вторичных космических лучей вызывает пробой Гуревича [9] и создает грозовую активность. Природа зарядовой асимметрии процесса конденсации изучалась Русановым [10] с феноменологической химической точки зрения. Здесь мы попытаемся описать конденсацию пара на каплях и их испарение, опираясь на микромоделирование взаимодействий с участием молекул воды. При этом будет уделяться внимание зарядовой асимметрии этих процессов. В основу положена феноменологическая модель "растворенного" пара. Далее предпринимается попытка воспроизвести указанную зависимость и ее подгоночные параметры как результат микромоделирования взаимодействий с участием молекул воды. Молекулы в кластерах мы будем считать плотно упакованными и находящимися на фиксированных расстояниях от ближайших соседей. Формально это соответствует потенциалу типа Ленарда—Джонса с очень большой константой связи. Успешный исход дает возможность применить модель молекулы для изучения взаимодействий с ионами. Результаты численного эксперимента с ионами описываются более простой моделью молекулы воды, представляющей собой электрический диполь, сдвинутый от центра молекулы. Настройка параметров этой модели по результатам численного эксперимента позволяет затем проводить описание в более грубых терминах сплошной среды. Таким способом решение поставленной задачи доводится до конца. Авторы выполнили моделирование кластера, состоящего из 55 молекул воды [11]. Избыточный отрицательный заряд в количестве двух электронов находится в центре треугольника. Дипольный момент такой молекулы 1.
Если в условиях переохлаждения существуют два жидких состояния, то их очень трудно наблюдать экспериментально: при таких низких температурах вода находится в метастабильном состоянии, и малейшее возмущение может вызвать затвердевание. Поэтому команда использовала компьютерное моделирование, чтобы определить, какие характеристики отличают две жидкости на микроскопическом уровне. В своем моделировании исследователи использовали коллоидную модель воды, а затем две распространенные молекулярные модели воды. Коллоиды — это частицы, которые могут быть в тысячу раз больше, чем одна молекула воды; в результате они движутся медленнее и поэтому часто используются для наблюдения и понимания физических явлений, происходящих в атомном и молекулярном масштабах. Запутывание, которое можно наблюдать в других жидкостях Они обнаружили, что молекулы воды в жидкости высокой плотности образуют соединения, которые считаются "топологически сложными", например, в форме кренделя или двух звеньев стальной цепи звено Хопфа. В этом случае говорят, что молекулы жидкости высокой плотности запутаны. В отличие от этого, молекулы жидкости низкой плотности образуют в основном одиночные кольца и поэтому не запутываются.
"Nature Chemistry": опровергнута описанная в учебниках организация молекул воды
Учёные проследили за электронами в молекулах воды, чтобы уточнить последствия действия радиации на людей. Стоковая иллюстрация: модель молекулы воды, научная или медицинская справка, 3d иллюстрация. До сих пор эксперименты с использованием реальных молекул воды для проверки второй критической точки «суперохлаждения» воды не могли дать однозначных доказательств его существования. Объемная модель молекулы воды.
Ученые из Великобритании получили необычные молекулы воды
Результаты численного эксперимента с ионами описываются более простой моделью молекулы воды, представляющей собой электрический диполь, сдвинутый от центра молекулы. Расчеты показали, что молекула воды даже при температуре в 300 градусов по Кельвину постоянно находится в центре молекулы фуллерена. Модель молекулы воды имеет форму треугольника. Исследователи из Массачусетского технологического института сделали новое открытие: свет может испарять воду без тепла. 268 шт Молекулярная модель набор DLS-9268 Органическая химия молекулы структура модели наборы для школы обучения исследования 9 мм серии.
Вода на астероидах: как ученые впервые нашли молекулы воды на древних космических телах
3d-модель молекулы воды на черном фоне. © Guru3d / Фотобанк Лори. 3d illustration of a water molecule isolated on white background. Ниже представлена подборка изображений, изображающих молекулу воды. Катионы и анионы простых электролитов ориентируют молекулы воды как вверх, так и вниз, что полностью противоречит учебным моделям, которые учат, что ионы образуют двойной электрический слой и ориентируют молекулы воды только в одном направлении.
Ученые из Великобритании получили необычные молекулы воды
Об этом написал сайт NEWS. Ранее ученые не могли наблюдать за эффектами, которые возникают при взаимодействии молекул воды со своими соседями на атомном уровне. Она имеет возможность фотографировать малозаметные движения молекул через рассеивание мощного пучка электронов от образца.
Исследователи подтвердили , что при низких температурах вода может превращаться в другую, более плотную жидкость. Читайте «Хайтек» в Новый вид «фазового перехода» в воде был впервые предложен 30 лет назад в исследовании ученых из Бостонского университета. Авторы исследования тогда предположили, что при значительном охлаждении жидкая вода должна разделяться на две формы с разной плотностью. Однако экспериментально подтвердить эту гипотезу пока не удавалось, потому что переход должен происходить при температурах, когда в нормальных условиях вода превращается в лед. В статье, опубликованной в журнале Nature Physics, исследователи из Бирмингемского университета и университета Сапиенца в Риме приводят доказательства существования «плотной воды».
Лабораторные установки исключали всякую передачу тепла пару или воде, обеспечивая освещение светодиодами. Тем не менее, испарение при освещении воды светом начиналось и продолжалось, пока был свет. В темноте явление отсутствовало. Собственно говоря, климатологи давно ломали копья в спорах о степени поглощения света облачной массой Земли и о влиянии всего этого на климат планеты.
Данные были противоречивы и демонстрировали заметные расхождения между наблюдениями и моделями.
Иначе говоря, вода имеет высокую диэлектрическую проницаемость, самую высокую из всех известных нам соединений. Также, последние исследования установили полярность кластеров воды. Вода растворяет все! Во многом благодаря диэлектрической проницаемости, вода проявляет себя как универсальный растворитель. Ее растворяющему действию в той или иной мере подвластны и твердые тела, и жидкости, и газы. Постоянно соприкасаясь со всевозможными веществами, вода фактически всегда представляет собой раствор различного, зачастую очень сложного состава.
Даже из свежевыпавшей дождевой воды можно выделить различные минеральные и органические вещества, растворенные в ней до нескольких десятков миллиграммов на литр. В среднем в 1 л океанской воды растворено 34... Общее количество их настолько велико, что, выделенные из воды, они покрыли бы поверхность земного шара слоем стометровой толщины. Солевой состав речных и морских вод различен не только количественно, но и качественно. В пресных водах набор минеральных примесей выглядит иначе. Из газов в пресных и морских водах наиболее широко представлены кислород, азот, углекислый газ, сероводород. Этот ядовитый газ присутствует и в нижних слоях некоторых озер.
В пресных и морских водах в небольших количествах имеются и разнообразные органические компоненты — растворимые соединения типа белков, сахаров, спиртов, углеводородов и т.
Вода на астероидах: как ученые впервые нашли молекулы воды на древних космических телах
Результаты численного эксперимента с ионами описываются более простой моделью молекулы воды, представляющей собой электрический диполь, сдвинутый от центра молекулы. Настройка параметров этой модели по результатам численного эксперимента позволяет затем проводить описание в более грубых терминах сплошной среды. Таким способом решение поставленной задачи доводится до конца. Авторы выполнили моделирование кластера, состоящего из 55 молекул воды [11]. Избыточный отрицательный заряд в количестве двух электронов находится в центре треугольника. Дипольный момент такой молекулы 1.
Молекулы плотно упакованы, и радиус Д соответствует плотной упаковке. Кластер состоит из центральной молекулы, ее окружения из 12 молекул и 42 молекул, соприкасающихся с окружением. В начальном состоянии молекулы были ориентированы случайным образом. Специальная программа градиентного спуска в 165-мерном пространстве приводила кластер к минимуму электростатической энергии. Работа программы заключалась в повороте каждой молекулы вокруг всех трех осей.
Поворотом вокруг первой оси достигался минимум и происходил переход ко второй оси, а затем к третьей. Потом операция проводилась со второй молекулой и так далее. Весь цикл с 55 молекулами повторялся до тех пор, пока энергия не переставала уменьшаться. В результате становилась известной суммарная энергия кластера и энергия связи центральной молекулы. Каждая реализация случайного кластера давала различающиеся значения энергии.
Было проведено 200 реализаций, результаты которых подвергнуты усреднению. Энергия связи центральной молекулы позволяла определить давление насыщения при двух температурах и усреднялось именно давление насыщения. Поскольку моделирование можно считать вполне успешным, далее эта модель использовалась для изучения энергии связи молекул в водяной капле, находящейся под воздействием иона.
Другое Влияние явной модели растворенного вещества на поведение растворенного вещества в биомолекулярном моделировании также широко изучалось. Было показано, что явные модели воды влияли на специфическую сольватацию и динамику развернутых пептидов, в то время как конформационное поведение и гибкость свернутых пептидов оставались неизменными. Модель MB. Более абстрактная модель, напоминающая логотип Mercedes-Benz , которая воспроизводит некоторые особенности воды в двухмерных системах. Он не используется как таковой для моделирования «реальных» т.
В рамках изучения специалисты создали слои воды толщиной 100 нм и заставили молекулы вибрировать благодаря инфракрасному лазеру, а потом разрушали их короткими импульсами высокоэнергетических электронов от SLAC MeV-UED. Как заявили авторы новой научной работы, их результаты приближают понимание свойств воды, которые играют главную функцию в ключевых химических и биологических процессах. Статья опубликована на страницах издания Nature.
Об этом сообщила пресс-служба Нью-Йоркского университета. Атомы, кластеры атомов или отдельные атомы, обладающие электрическим зарядом, известны как ионы. Об этом проинформировала "Газета. Они особенно важны для химии живых существ.